冰面為什麼滑?這是個化學問題

2020-12-01 騰訊網

冰面為什麼滑呢？

企鵝界的世界盃競爭也很激烈。圖片來源於網絡

冰面本來就是滑的啊，這不是常識嗎？有什麼好解釋的？

化學家們總是「較真的」，他們一定要給出一個合理的解釋：冰之所以會有很小的摩擦力，是因為腳丫子或鞋等身體重量的支撐點與冰面之間有一層水，水分子能起到潤滑的作用，所以無論是否穿著溜冰鞋，都能在冰上滑出「似魔鬼的步伐」。

無序的水分子（左）和排列整齊的冰（右）。圖片來源：Ascalaph Designer program

然而，問題又來了，冰面上的水從哪裡來的呢？冰面溫度那麼低，水都應該結冰才對啊？

流傳最廣的應該是「壓力融化說」——冰在壓力下融化，形成水膜。這個想法來自James Thompson在 19世紀50年代提出了一個數學模型：冰的熔點隨壓強的增大而降低。[1]也就是說，只要有足夠大的壓力，冰就會變成水。而所謂的「復冰現象」，就是壓力增大使冰融化，然後在壓力恢復常值時重新結冰的現象。動畫片裡，柯南還根據「復冰現象」破解過冰室殺人之謎。

圖片來源：《名偵探柯南》687集

解釋看似很合理，但往往流傳最廣的不一定就最準確。比如，一個體重約68公斤的人站在冰上，只能使冰的熔點降低大約0.0167 ℃。冰場的冰面溫度大約是-3.5 ~ -7 ℃，即使是穿著溜冰鞋，接觸面只有冰刀那麼一點點面積，想讓冰在零下3.5攝氏度融化，也需要運動員體重達到約200公斤，這體重踩著冰刀去玩花樣滑冰？？？此外，壓力融化並不會立即發生，一個人也不可能簡單地通過壓力融化出冰面上的一層水。

韓國花樣滑冰運動員金妍兒。圖片來源於網絡

於是，科學家又提出了「摩擦生熱融化說」。這個解釋似乎更加直觀，冰刀高速摩擦冰面，產生熱量，使冰面融化。可是細想就會發現問題，例如很多人一站到冰面上，動都沒動就摔倒了，根本還沒有足夠的摩擦去生熱。

這也不對，那也不對，難不成冰面上本來就有一層水？

恭喜你，答對了！都會搶答了哈！

冰表面液態水層示意圖。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.[2]

1987，科學家用X射線成像證實了冰面上的確存在一層「準液體」水。它非常非常薄，在-1 ℃時其厚度介於1~94 nm之間。[3]

去年，Huib J. Bakker課題組利用Surface sum-frequency generation (SFG) spectroscopy技術觀測冰表面的這層「準液體」。研究發現，冰中的水分子通過氫鍵彼此結合，穩定的排列在一起，形成晶體結構。而表面上的分子排列卻非常混亂，形成一層過冷液體「水膜」。從零度到零下二十多度，這層「水膜」一直存在。[2]該工作發表在Angew上，並作為封面文章報導。

當期雜誌封面。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

近日，荷蘭阿姆斯特丹大學Daniel Bonn課題組設計了一個有趣的實驗來研究這層「準液體」。研究者測試了一個金屬球在冰面上的滑動摩擦，控制冰面溫度從-100 ℃到0 ℃，小球的運動速度從10-6到10-1m s-1。結果發現：低溫時，冰面的摩擦力較大，-70 ℃開始摩擦力迅速下降，在-7 ℃時摩擦力達到最小值。[4]

實驗過程示意圖及分子模擬。圖片來源：J. Phys. Chem. Lett.

有趣的是，摩擦係數並不隨溫度呈現單調變化。在低溫下，冰的表面並不滑，-100 ℃時摩擦係數為μ＝0.5，和乾燥玻璃表面的摩擦係數差不多。同時，在低摩擦（-7 ℃和-21 ℃）條件下，摩擦係數與物體的滑動速度無關，滑動速度改變了4個數量級都不能影響摩擦係數的大小，由此可見，與速度相關的摩擦加熱並沒有起到重要的作用。

研究者隨後進行了分子動力學模擬，研究表明大部分的冰中的水分子形成四個氫鍵，而在冰表面的「準液體」層中的每個分子與兩到三個水分子以氫鍵結合。當溫度高於-70 ℃時，只有兩個氫鍵的分子比例開始增加，與下層冰連接的氫鍵斷裂，使得冰表面產生了很多具有流動性的「水分子」，實際上也可以稱作「可移動的冰」。這就像地面上鋪了一層滾動的圓木，冰面也因此變得非常光滑。

現在終於明白了吧，冰面為什麼滑？什麼時候最滑？這都是需要用分子動力學來解釋的化學問題。

PS：身邊如果有高考完的年輕人向你請教如何填報專業，不妨把本文發給他們看下，說不定就有人就和我們一樣上了化學的車呢？

參考文獻：

1.https://www.vox.com/science-and-health/2018/2/13/16973886/olympics-2018-ice-skating-science-speed

2. The Surface of Ice is Like Supercooled Liquid Water.Angew. Chem. Int. Ed.,2017,56, 15540 –15544

3. Ellipsometric study of the transition layer on the surface of an ice crystal.J. Cryst. Growth,1987,82, 665–677.

4. Molecular Insight into the Slipperiness of Ice.J. Phys. Chem. Lett.,2018,9, 2838–2842

（本文由小希供稿）

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