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一个古老的问题

150多年来，有这样一个问题一直困扰着所有物理学家，那就是：冰为什么这么滑？

一个被普遍接受的观点认为，冰之所以滑是因为在冰的表面形成了一层液态水，这层液态水可以起到润滑作用。根据这种说法，这意味着当我们在冰场上滑冰时，滑冰鞋和冰之间会形成一层融水薄膜。

然而，这仅仅是一种假设，这层融水薄膜是否真的存在一直是人们争论的话题。而且即使真的有这样一层融水，仍然有很多问题是我们不知道的，比如这层融水薄膜是怎么形成的？是因为冰表面的熔化，还是冰与滑冰鞋的摩擦生热，亦或是因为压力引起的融化导致的？

有很多问题的答案都是未知的。再比如这层融水薄膜的厚度会是多少？它有着怎样的性质？要知道一种液体润滑与否主要取决于它从两个摩擦表面之间的间隙中被挤出时所遭遇的阻力大小。液态水并不是一种好的润滑剂，它的粘度很低，很容易就从间隙中被挤出。因此如果这是一层液态水薄膜，它应该不足以在滑冰鞋与冰之间起到润滑作用，因此这层界面是如何做到减少摩擦，使冰变得更滑溜的呢？

在最近发表的一项研究中，物理学家通过设计一种新的测量力的仪器，发现确实存在这样一层物质，但它不仅是一层简单的水，它介于液态水和冰之间的状态，具有有别于我们平时接触到的水的流动属性。

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可以“听”的测力仪

为了解答这个问题，研究人员设计了一个巧妙实验，他们研发了一种新的力测量仪，帮助他们从微观角度探讨了冰为什么滑，让他们对冰的摩擦系数，以及中间的润滑层的属性进行了测量。

在设计这套力仪器时，他们借助了一个类似于音叉的实验装置，并在音叉上连接了毫米大小的玻璃珠，玻璃珠会像一个小的冰刀一样，以几十微米的距离尺度在同一区域的冰面上滑行。音叉是用来振动的，在音叉上还附有一个加速计，用于测量玻璃珠在水平和垂直方向上的振荡振幅，从而计算出玻璃珠和冰之间的摩擦系数。

这种方法为研究冰摩擦的起源打开了一扇新的窗口，尽管仪器只有几厘米大，但它的灵敏度足以在纳米尺度上研究中间的润滑层的摩擦特性。

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意外的结果

他们发现，这层液体薄膜比预期的要小得多，只有几百纳米到一微米厚，或者说只有一根头发的百分之一厚。而且更出乎意料的是，这层润滑层远非一层简单的水，它像油一样粘稠，既具有粘性，也具有弹性。这不仅不同于普通水的行为，也不同于冰的行为，表明表面的冰并没有完全转变成液态水，而是以一种冰水和碎冰的形式混合存在。

研究人员认为，这样一层具有粘弹性的薄膜界面便是冰为何如此滑的奥秘所在。他们推测，在同一地点反复滑动就会产生这种水和冰的混合物，它在荷载的作用下能既表现出弹性（来自冰），也表现出粘性（来自水），所以它比普通的水更难从间隙中被挤出来。这在一定程度上可以解释这层界面为何会有如此优异的润滑性能。

这项研究还解释了为什么滑冰会有如此特殊的润滑现象。他们发现，润滑摩擦和伴随而来的磨损常常导致在两个摩擦物体之间形成一层不同的材料，我们可以称这种材料为第三物体。这种第三物体的形成过程依赖于两个摩擦物体的表面受磨损的方式，甚至通常与摩擦所引发的化学反应有关，因此第三个物体的形成在很大程度上是系统特有的。换句话说，很少有其他材料能在摩擦和磨损下形成具有粘弹性的液-固态第三物体。

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更多的问题

这一发现使得物理学家急需对现有的描述冰摩擦的理论框架进行彻底修改。当然，一些有趣的问题依然存在，例如这种现象在崭新的冰上的形成速度是否快到能够在接触时就立马其到润滑作用？这层界面的存在如何解释滑冰场的最佳温度是-7℃？研究人员希望，新的理论能更好地帮助理解一些冬季运动项目中的冰上滑动现象，以及为一些需要处理摩擦问题的应用提供有用的解决方案。

另一个百年难题：水是如何结冰的？

其实，冰与水隐藏着许多意想不到的古老谜团。我们常说“冰冻三尺，非一日之寒”，而水究竟是如何冻结成冰的？这便是一个我们直到现在才找到答案的问题。

在一篇发表在《自然》杂志的文章中，中国科学院和中国科学院大学的研究人员描述了他们如何用纳米级的氧化石墨烯解开了这一谜团。

当一滴水结成冰时，它通常从一个被称为冰核的微小颗粒开始，在冰核上会形成第一个冰晶，然后冰晶再向水滴的其他部分扩散，蔓延到更大的水体。

你或许对冰核这个概念感到陌生，但你很可能见证过它发挥作用。一瓶非常纯净的水即使在0℃以下也能维持液态，但只要轻轻晃动一下瓶子，水就会很快结冰。这是因为震动在水中引入了不规则的冰核，开启了冻结过程。但更常见的是冰核是杂质。新的研究确切地确认了，多大的冰核才可以开启这个冻结过程。

研究人员使用了数万亿个微小的氧化石墨烯颗粒来探讨这个问题。他们将水和纳米级的氧化石墨烯（3~50nm²）混合，然后降低温度。当他们使用小于8nm²的氧化石墨烯颗粒时，那么只有在-27.5°C左右这样的极低温度下，颗粒边缘才会开始形成冰晶；但当大小为8nm²时，形成冰的临界温度上升了10°C左右。他们还用其他纳米颗粒进行了同样的测试，证实了无论使用何种材料，结冰过程都是一样的。

参考来源：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041025

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

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1827-6

问题看似简单却困扰人类几百年，至今没有完美答案，冰为什么很滑？

冰很滑，这件事在每一个人很小的时候都知道，因为我们都在冬天的结冰的路面上溜过冰、摔过跤，因此冰的光滑已经成为了我们的常识，像是一个不用论证的公理一样。

如果你问一个人冰为什么很滑？还很有可能会让这个人觉得你问了一句废话，其实不然，在科学上我们不仅要总结知识，而且要知道其背后的原因，为什么会这样。

接下来我们就聊下这个困扰人类数百年的问题。

在我们生活中两个固体之间的摩擦系数一般都非常大，我们为了减小它们之间的摩擦，我们一般会将两个固体接触的表面打磨的非常光滑。

但这样只会将摩擦系数减少到一定的程度，并不会给我们带来异常丝滑的感觉，例如家里的地板、玻璃表面可以说已将非常平整了，但摩擦依旧很大。

这说明两个物体之间摩擦系数的大小，其表面的光滑程度并不是唯一的因素。如果我们这是给地板上、瓷砖上、路面上、玻璃上洒一些水呢？甚至是一些油呢？

是不是很滑！尤其是冬天冰雪刚融化的时候，走在铺有瓷砖的路面，很容易摔一跤。所以说液体是减少两个固体之间摩擦系数的关键。

因为液体层与层之间很容易会发生滑动，也就是说液体的内摩擦系数非常小，如果把它们洒在固体光滑的表面，可以大大减小两个物体之间的摩擦，这就是日常生活中润滑油的作用。

那么这跟冰有什么关系呢？根据以上的知识，同样的道理，我们就可以知道其实就固体冰本身而言它并不滑，滑的主要原因是它表面有一层看不见的水膜。

这一点在科学上已经被普遍接受，但是难点是，想解释冰上为什么会有一层水却不那么容易。

压力融化说

最初认识到这个问题的是迈克尔·法拉第（Michael Faraday），没错你是认识的那个发现电磁感应现象的法拉第，因为之前的科学家都比较全能，看见啥都想研究。

1850年6月7日，法拉第在一次演讲中做着这样的实验，将两块刚取出来的冰，按在一起，很快两个冰块就会粘连。

法拉第认为冰层表面覆盖着一层液体薄膜，也就是即将结冰的水，即使在温度远低于冰点的情况下也是如此。

当两块冰相互接触的时候，它们中间的水就会重新冻结，充当了粘连剂。但当时詹姆斯·汤姆森并不同意这样的观点，认为是两块冰在相互接触的时候，因为压力的升高导致了表面的冰融化，形成液态水膜。

并提出了冰点随压力升高而下降的线性关系表达式。他的弟弟威廉，也就是我们熟知的开尔文勋爵通过实验证实了这个说法。

这就导致了后来近100年人们通过压力融化说来解释为什么冰很滑。

詹姆斯·汤姆森和他的弟弟并没有把这个理论用来解释冰为什么很滑，而是在1886年工程师约翰·乔利根据他俩的理论提出：冰很滑，是因为压力导致了冰表面的融化。

乔利还专门根据滑冰运动员做了一些计算，乔利指出滑冰运动员冰刀的与地面的接触面积非常小，计算出的压力能够达到466个大气压，在这个压力下，冰的熔点会降低到- 3.5℃。

因此滑冰运动员的冰刀会与地面形成一层水膜。这就是冰很滑的原因。

相信你看了这个解释，会觉得很牵强，但就是这样的解释人们也相信了几十年。你看，照他这么说，低于- 3.5℃的情况下就无法滑冰了，北方的同学肯定不答应，-10、-30摄氏度照样滑。

而且我们穿平底鞋、就算躺在冰面上，这样压强够小了吧，依旧很滑。所以这样的解释漏洞很多。

不过压力会导致冰的熔点降低这个理论是真的，但不能解释冰很滑的原因，也不是冰表面水膜形成的原因。

摩擦加

热说

到了20世纪，也就是1939年弗兰克·p·鲍登（Frank P. Bowden）和t·p·休斯（T. P. Hughes）提出，冰表面的水膜是因为摩擦生热导致融化的结果。

为此它们还跑到了瑞士海拔3346米的冰洞中做了一系列的实验，得出了这样的结果，同样这样的说法也站不住脚。

摩擦确实会产生一定的热量，但这样微小的热量还是不足以融化温度很低的冰，而且你在滑动的时候，在你前面的冰还没有形成水膜，因此会有很大的阻力。

这也不足以解释为什么在冰上会具有非常长持续滑动的能力。其实这都不是重点，最主要的是，在一个斜面冰上，一开始我并没有滑动，应该没有生热，冰应该不滑，但为什么我依然站不住呢？

因此到了21世纪，科学家认为冰表面的液体层是冰本身富有的一种性质，也就是说冰本身就很滑，并不需要任何的压力和摩擦来产生水膜。

不过目前科学家还没有完全解决，为何不管多低的温度，不管与物体有没有接触，冰的表面总是有一层液体。这是一个正在研究的问题，而且我们也通过各种手段看到了这层水膜。

滑是冰固有的性质

不过问题是，同样是水膜，为什么它在冰上会更滑呢？在地板、瓷砖上就没有那么滑呢？

这说明冰表面天然形成的水膜跟我们认为的水还是由很大的区别的，它因该有一些比较特殊的性质。

在2005年的《今日物理》评论文章中，Robert Rosenberg指出，冰表面的水分子并不是我们认为的液态水，只不过它们比整块冰的水分子有更少的化学键，它们排列的更加松散，体积更大，表层的水分子能够更好的自由振动，甚至是滑动。

这层自由的水分子就在冰层的表面起到了很好的润滑作用。

2019年11月4日发表在《物理评论X》上一篇论文首次研究和测量了冰表面的这层“水膜”。解释了这层水膜为何会使得冰如此之滑，因为我们知道水并不是很好的润滑剂。

实验团队开发了一种装备有音叉的设备，类似于用于音乐的音叉，可以非常精确地“听到”在冰上滑行时的作用力。

尽管这个仪器只有几厘米大，但它的灵敏度足以探测冰，并在纳米尺度上分析摩擦的性质。

通过这个实验，科学家第一次清楚地证明了这个薄膜的厚度只有几百纳米到一微米，或者说一根头发厚度的百分之一，比理论估计的要薄得多。

而且这层薄膜根本不是“简单的水”，而是由像油一样具有复杂粘弹性的水组成的。也就是说，冰表面并没有完全转化为液态水，而是一种冰水和碎冰混合状态。

这个实验就验证了光滑本身就是冰的一种固有性质的猜想。但是冰表面为何会在纳米级形成这样的结构我们依旧不是很清楚。

所以冰为什么很滑这个问题，并没有得到彻底的解答。自然就是这么神奇，小小的生活现象，却包含着大物理，甚至是一些未解之谜。

冰面为什么会那么滑？为何至今都没有完美答案？

因为我们人类知道了太多的原理，但是这些原理是我们无法探索无法真正的了解，所以导致百年来我们人类无法突破这个问题，关于这个问题，很多人都是存有疑问的，包括我自己在内，其实发现这个问题的是迈克尔·法拉第，法拉第他是第一次意识到这个问题的人，很多人可能对法拉第的认识只有电磁感，但事实上并不是这样的，因为之前的科学家都是全能的，想研究他们看到的一切。

1850年6月7日的时候，法拉第在一次演讲中做了这样一个实验，将两块冰压在一起，很快两块冰就会粘在一起，法拉第认为冰层表面覆盖着一层液膜，即即将结冰的水，即使温度比冰点低得多，当两块冰相互接触时，它们中间的水会再次冻结，充当粘着剂。然而，詹姆斯·汤姆森当时不同意这种观点，他认为当两块冰相互接触时，表面冰由于压力的增加而融化，形成液态水膜。

提出了冰点随压力增大而减小的线性关系表达式，他的弟弟威廉，著名的开尔文勋爵，通过实验证实了这一说法，这让人们解释了为什么在最近的100秒内，冰通过压力的融化变得很滑，而且在现代，科学家们第一次清楚地证明了这种薄膜的厚度只有几百纳米到一微米，或者头发厚度的1％，这其实比理论估计要薄得多。

而且，这种薄膜根本不是简单的水，而是像油一样由具有复杂弹性的水组成，也就是说，冰的表面并没有完全转化为液态水，而是冰水和碎冰的混合状态，其实只能说大自然是如此神奇，小生命现象包含大物理学，甚至一些未解之谜。 

关于冰面为什么会那么滑为何至今都没有完美答案的问题，今天就解释到这里。