冰为什么是滑的，这事科学界居然吵了170年

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丹尼尔·博恩（Daniel Bonn）是荷兰阿姆斯特丹大学物理系主任，多年来一直痴迷于研究冰。去年快到圣诞节时，博恩与同事通过3D打印技术，用冰制作了一棵高仅8厘米的圣诞树。此外，他还对与滑冰有关的物理学很感兴趣，特别是冰面为什么会这么滑？

为了探究这一现象，他曾带领团队在实验室里打造过冰宫（ice palace），也搭建过微型“滑冰场”（microscopic ice-skating rink）。在这个微型滑冰场里，他们让一块金属球（如钢球）模拟冰刀的刀刃，并以不同的速度旋转，同时测量该金属移动所需的力及其对冰面施加的力。两种力的比值就代表了冰面的滑溜程度。

博恩与同事在2018年测量了冰在零下100摄氏度至0摄氏度范围内的摩擦系数，结果发现，冰面在零下100摄氏度的摩擦系数最高，冰面不怎么打滑；然而，随着温度升高至零下70摄氏度，冰面的摩擦系数开始降低，并在零下7摄氏度达到最小值——而这正是短道速滑一般要求的冰面温度。

他们还通过分子动力学模拟证明，冰面上存在两种类型的水分子，包括通过三个氢键与下方冰体相结合的固定水分子，以及仅通过两个氢键结合的流动水分子。这些流动水分子会像微小的球体一样在冰面上滚动，且其数量随温度升高而增加。研究者指出，正是表面流动水分子的存在，才引起了冰的滑溜性。换句话说，他们认为，滑冰者能在冰面上滑行，是因为他们站在一层高流动性的水分子层上。

从定义上看，冰的确是由水分子按照不同方式堆叠而成的晶体。可是，冰表面怎么是层水，以及冰打滑背后的机制真是如此吗？

阿姆斯特丹大学的丹尼尔·博恩团队创建了一个微型滑冰场来研究冰的滑溜问题。图片来源： 丹尼尔·博恩

冰上一层水

早在1842年，英国著名物理学家、化学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，因发现电磁感应定律而为人熟知）就发现如果把两块冰压在一起，它们最终会融合成一大块冰，且冰块表面有一层薄薄的、难以用肉眼看见的液体。这其实就是预融化（premelt），也就是冰表面在低于其熔点（0摄氏度）下开始融化的现象。但那时，法拉第无法解释冰面这层液体为什么会存在。

后来，物理学家花了差不多100年，才证实冰表面的确存在一层薄层，并且认为在这一所谓的预融层里，分子靠近表面，很容易在冰鞋、滑雪板或鞋子的作用下发生移动。也就是说，冰表面这层水能起到润滑作用。然而，冰上这层水是怎么来的，及其在冰的滑溜性中所起的具体作用，如今均尚无定论。比如此前有科学家认为是压力使冰融化产生的水层，也有人认为是摩擦生热导致冰融化的，另外就是这层水也许就是冰本身就有的。170多年过去了，科学家对冰上这层水的兴趣丝毫不减。

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几年前，北京冬日的一天，北京大学物理学院教授江颖在未名湖畔散步时，也看到了湖面上类似的亦水亦冰的现象。这让他倍感好奇，他也受到启发开始探究冰的表面，试图弄清楚冰面预融化这一长达170多年的争议问题。

据悉，江颖团队长期致力于高分辨扫描探针显微镜（SPM）的自主研发和应用，创新性地开发了一种通用的一氧化碳分子修饰针尖技术，可对各种绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像，因而适用于研究通常被视为绝缘体的冰表面。

于是，他们利用基于这套探针技术的原子力显微镜（AFM），以原子级精度分析了冰表面如何随温度变化而变化，结果首次获得了自然界最常见的六方冰表面的原子级分辨图像。

此前，科学家认为，在地球表面常压环境下，能稳定存在的只有一种冰——六方冰。比如，自然界中，雪花、霜冻、冰雹以及南北两极的冰川都是六方冰，而雪花的六角形也能追溯到这种冰的六方结构。

然而，江颖和同事却看到冰表面不仅有六方堆叠方式，还有立方堆叠方式，也就是说同时含有这两种冰结构。但科学家此前通常认为立方冰需要在高压环境才能稳定存在，在大自然中并不常见。

此外，他们观察到，冰表面在零下153摄氏度就开始融化，而不是此前普遍认为的零下70摄氏度左右。这意味着，地球任何地点的温度，都高于冰的预融化起始温度，也就是说，地球上所有的冰都处于预融化状态，表面都存在液体。而冰上这层水与冰的滑溜性密切相关。相关研究于前年5月发表于《自然》（Nature）。

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这一团队对冰表面及其打滑性的探究并没有到此结束。去年12月，结合人工智能和原子力显微技术，江颖教授、北京大学物理学院徐莉梅教授及洪嘉妮特聘研究员合作发现了冰表面融化前可能会经历的一个阶段。

结果表明，在零下152摄氏度到零下93摄氏度的温度范围内，冰在融化前会形成一种此前未知的“无定形冰层”。这层冰分子仍处于固态，保留了类似固体的动力学特性，但不再像冰晶那样按规则呈有序排列。随着温度升高，这层无定形冰会逐渐演变为类液体层。这一发现为理解冰的融化和生长提供了全新的视角，意味着无定形冰层或许应被纳入到冰预融化相图中。

我们对冰为什么打滑，以及冰上一层水的认识，更像是走在一条冰封的道路，需要我们不断跌倒、滑倒、爬起来和再次尝试，从而对它才会有更深的了解。

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/9fzf-y9n9

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07427-8-history

https://www.iflscience.com/faradays-enigma-of-premelted-ice-finally-explained-after-166-years-81980

https://www.spektrum.de/news/schlittschuheffekt-eis-schmilzt-schon-bei-150-grad/2217777

https://medium.com/curiosity-explained/why-is-ice-slippery-two-centuries-of-smart-people-eating-concrete-b3d1125e86cd

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03833-5

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05225-7

来源：环球科学

编辑：LogicMoriaty

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