=͟͟͞͞太=͟͟͞͞ 冷=͟͟͞͞ 了=͟͟͞͞ ！
年度「霸王級」寒潮「開啟速凍模式
站在自博館門口，冷到發慌
不過自博館裡卻有了不一樣的
北國風光
攝影：自博館的小夥伴們
-帶娃看冰雪世界必備知識-
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從冰雪自博館到可樂不加冰，每每提起這種由水轉變而來的固體，腦海裡總會產生熟悉的寒意。
但是，對於冰，這看似普通不過的事物，很多謎題仍然困擾著我們。
從月球到火星，從小行星到外太空，冰是「H2O」這種分子最廣泛的存在形式。
林子大了，什麼鳥都有；宇宙大了，什麼冰都有。我們習以為常的冰，在宇宙間卻有至少19種存在形式。
相鄰的水分子通過「氫鍵」構成了一個四面體網絡，而目前發現了19種這類網絡的排列方式，每一種排列對應一種冰。
不同溫度與壓力下不同類型冰的分子排列方式
圖源themeaningofwater.com
我們地球上最常見到的冰，專業一點可以叫「冰Ih」。水分子通過氫鍵連接成六角形晶體結構，組成這種平凡的冰。這倒也解釋了為什麼雪花都是六角形，因為雪花的「種子」——小冰晶就是六角形的。
圖源：sohu
地球上存在一種「冰Ic」，它是立方體晶型。只不過，這種冰只有極少量存在於大氣圈上層。
除這二者外，其他的冰，只有在極端的條件下才能產生。比如2019年發現的冰18，是科學家用世界上最強大的雷射射向了一滴水。雷射形成的強大衝擊波瞬間產生了數百萬倍大氣壓的壓力，並將溫度升高到了近3千攝氏度。此時，這滴水中就會形成一種名為「超離子冰」的結構。
就在去年，我國科學家在零下268攝氏度的環境中觀察到一種二維冰。這種名為「二維冰I相」是一種由兩層六角冰堆疊而成平面，兩層之間靠氫鍵連接。
不過，我們人類才會說「極端」；對於茫茫宇宙，任何狀態都是稀鬆平常。
即使對於地球上俯拾皆是的普通冰塊，我們仍然如同小朋友一般，有很多問號。比如，冰為什麼是滑的？
這個問題看似簡單，對科學家來說，卻仍是未解之謎。
1886年，愛爾蘭物理學家約翰·傑裡提出了「壓力融化說」。他認為人接觸冰產生的壓力，會讓冰面發生部分融化，產生一層水，而這層水可以起到潤滑作用。
這種說法可以解釋即使在粗糙度冰面，我們仍能順暢地滑行。因為冰刀的面積極小，會給冰很大的壓力。
冰一有壓力，它就化了。
圖源：《冰糖燉雪梨》
然而，這套解釋卻遭到了質疑。有學者指出，要想讓冰刀下的冰融化，需要非常高的壓強。比如，滑冰場冰面溫度至少低於零下3.5℃，要想讓冰在此時融化，所需的壓強相當於1m²面積上堆放3500噸物體，這幾乎是1000頭非洲象的重量。
後來，科學家們又提出了「摩擦融化說」。在滑冰時，鞋底或冰刀，會與冰發生快速摩擦，在這個過程中產生的熱量使冰融化，融化產生的水就起到了潤滑劑的作用，所以冰面很滑。
但是，東北的朋友都知道：即使穿著滑冰鞋站著不動，同樣有人會滑倒。
既然壓力或摩擦都是為了說明冰的表面有一層水，那麼直接論證冰面上存在水不就可以了嗎？
於是「表面融化說」應運而生。這個理論認為冰的表面始終存在薄薄的一層融化水，即使是在冰點以下也沒有完全結成冰。當物體在與冰面接觸時，不需要太高的壓強就能讓這些水起到潤滑層的作用，讓物體與冰層的接觸縱享絲滑。
圖源：見水印
2019年12月，有學者使用一種特殊儀器，精密測量了冰的摩擦與潤滑狀態。結果發現，冰面表層確實有一層「潤滑層」。只不過這層潤滑層既不是水，也不是冰，而是一種冰與水的混合物。這種混合物既有冰的彈性，同時也有水的黏性特徵。這樣一來，這層混合物既能起到潤滑作用，又不會輕易地從表層被擠走。
雖然，潤滑層中冰-水混合物的發現可以推動我們對滑冰的理解，但相關的理論尚未得到學界的一致認可。
我們一直以為科學家在思考生命的意義、時空的極限，但他們很可能連「冰為什麼是滑的」都沒有確定的答案。
除了能滑，其實冰還有更大的作用：救命。
不是拯救某一個人或動物的命，而是拯救地球的所有生命。
冬天滑冰的湖面，春天就會化開，很多碎冰浮在水面。我們對此熟視無睹。然而，這其實是冰的一個神奇性質——能浮在水面。
冰封的湖面，圖源：pixabay
這還要說回到冰分子的結構。溫度降低時，水分子漸漸結晶，轉變為冰，也就是上文提到的「冰lh」。「冰Ih」所具有的立體網絡形狀，分子之間十分疏鬆。於是，水結冰的過程，也伴隨著密度逐漸變小，體積逐漸增加，「蓬鬆的」「冰lh」就會浮在水面上。
水結冰的膨脹效果極為驚人，體積可以增加約9％。北方凍裂的無數水管，都見證了這場「冷脹熱縮」的表演。
而冰能浮在水表面，卻也救下了整個生物圈。
假如沒有「冰lh」的「疏鬆結構」與「冷脹熱縮」，那麼當水溫向0°C降低的過程中，整個水體會達到相同的溫度，最終全部結成冰，從而凍住所有淡水和海水生物！
網上有過一個問題：冰是為了保護魚嗎？
一個熱評的回答是：冰又不知道還有魚，它是無意的。
正是因為水和冰都足夠的恰到好處，才保證了生命的誕生與延續。
趁自博館的冰雪未消，快來嗨皮一波吧~
參考文獻：
1.Millot, M., Coppari, F., Rygg, J.R. et al. Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice. Nature 569, 251–255 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1114-62.Ma, R., Cao, D., Zhu, C. et al. Atomic imaging of the edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice. Nature 577, 60–63 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1853-43.Molecular Insight into the Slipperiness of Ice，Bart Weber, Yuki Nagata, Stefania Ketzetzi, Fujie Tang, Wilbert J. Smit, Huib J. Bakker, Ellen H. G. Backus, Mischa Bonn, and Daniel Bonn The Journal of Physical Chemistry Letters 2018 9 (11), 2838-2842 DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01188投稿請戳lvluotougao@sstm.org.cn