冰為什么這么滑？困擾物理學(xué)家150年的問(wèn)題解決了

中學(xué)的時(shí)候大家都學(xué)過(guò)物理，都知道有摩擦系數(shù)這回事，越光滑的地方摩擦就越小，比如冰塊就是這樣。那冰到底為什么這么滑？這個(gè)問(wèn)題沒(méi)想到困擾了物理學(xué)家150多年了，直到現(xiàn)在才有科學(xué)解答。

中科院高能所今天發(fā)了一篇科普文《冰為什么這么滑》，介紹了這個(gè)問(wèn)題的由來(lái)及科學(xué)家的測(cè)試、驗(yàn)證方案，指出冰的表面與外界物體會(huì)產(chǎn)生一層液體薄膜，只有幾百納米到一微米厚，它像油一樣粘稠，既具有粘性，也具有彈性。

在同一地點(diǎn)反復(fù)滑動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生這種水和冰的混合物，它在荷載的作用下能既表現(xiàn)出彈性（來(lái)自冰），也表現(xiàn)出粘性（來(lái)自水），所以它比普通的水更難從間隙中被擠出來(lái)。這在一定程度上可以解釋這層界面為何會(huì)有如此優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

以下是具體的內(nèi)容，除了這個(gè)問(wèn)題之外，還探討了另外一個(gè)困擾物理學(xué)家100多年的問(wèn)題—;—;水是如何結(jié)冰的？

​​1 一個(gè)古老的問(wèn)題

150多年來(lái)，有這樣一個(gè)問(wèn)題一直困擾著所有物理學(xué)家，那就是：冰為什么這么滑？

一個(gè)被普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，冰之所以滑是因?yàn)樵诒谋砻嫘纬闪艘粚右簯B(tài)水，這層液態(tài)水可以起到潤(rùn)滑作用。根據(jù)這種說(shuō)法，這意味著當(dāng)我們?cè)诒鶊?chǎng)上滑冰時(shí)，滑冰鞋和冰之間會(huì)形成一層融水薄膜。

然而，這僅僅是一種假設(shè)，這層融水薄膜是否真的存在一直是人們爭(zhēng)論的話題。而且即使真的有這樣一層融水，仍然有很多問(wèn)題是我們不知道的，比如這層融水薄膜是怎么形成的？是因?yàn)楸砻娴娜刍?，還是冰與滑冰鞋的摩擦生熱，亦或是因?yàn)閴毫σ鸬娜诨瘜?dǎo)致的？

有很多問(wèn)題的答案都是未知的。再比如這層融水薄膜的厚度會(huì)是多少？它有著怎樣的性質(zhì)？要知道一種液體潤(rùn)滑與否主要取決于它從兩個(gè)摩擦表面之間的間隙中被擠出時(shí)所遭遇的阻力大小。液態(tài)水并不是一種好的潤(rùn)滑劑，它的粘度很低，很容易就從間隙中被擠出。因此如果這是一層液態(tài)水薄膜，它應(yīng)該不足以在滑冰鞋與冰之間起到潤(rùn)滑作用，因此這層界面是如何做到減少摩擦，使冰變得更滑溜的呢？

在最近發(fā)表的一項(xiàng)研究中，物理學(xué)家通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的測(cè)量力的儀器，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在這樣一層物質(zhì)，但它不僅是一層簡(jiǎn)單的水，它介于液態(tài)水和冰之間的狀態(tài)，具有有別于我們平時(shí)接觸到的水的流動(dòng)屬性。

2 可以“聽(tīng)”的測(cè)力儀

為了解答這個(gè)問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙實(shí)驗(yàn)，他們研發(fā)了一種新的力測(cè)量?jī)x，幫助他們從微觀角度探討了冰為什么滑，讓他們對(duì)冰的摩擦系數(shù)，以及中間的潤(rùn)滑層的屬性進(jìn)行了測(cè)量。

在設(shè)計(jì)這套力儀器時(shí)，他們借助了一個(gè)類(lèi)似于音叉的實(shí)驗(yàn)裝置，并在音叉上連接了毫米大小的玻璃珠，玻璃珠會(huì)像一個(gè)小的冰刀一樣，以幾十微米的距離尺度在同一區(qū)域的冰面上滑行。音叉是用來(lái)振動(dòng)的，在音叉上還附有一個(gè)加速計(jì)，用于測(cè)量玻璃珠在水平和垂直方向上的振蕩振幅，從而計(jì)算出玻璃珠和冰之間的摩擦系數(shù)。

這種方法為研究冰摩擦的起源打開(kāi)了一扇新的窗口，盡管儀器只有幾厘米大，但它的靈敏度足以在納米尺度上研究中間的潤(rùn)滑層的摩擦特性。

3 意外的結(jié)果

他們發(fā)現(xiàn)，這層液體薄膜比預(yù)期的要小得多，只有幾百納米到一微米厚，或者說(shuō)只有一根頭發(fā)的百分之一厚。而且更出乎意料的是，這層潤(rùn)滑層遠(yuǎn)非一層簡(jiǎn)單的水，它像油一樣粘稠，既具有粘性，也具有彈性。這不僅不同于普通水的行為，也不同于冰的行為，表明表面的冰并沒(méi)有完全轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，而是以一種冰水和碎冰的形式混合存在。

研究人員認(rèn)為，這樣一層具有粘彈性的薄膜界面便是冰為何如此滑的奧秘所在。他們推測(cè)，在同一地點(diǎn)反復(fù)滑動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生這種水和冰的混合物，它在荷載的作用下能既表現(xiàn)出彈性（來(lái)自冰），也表現(xiàn)出粘性（來(lái)自水），所以它比普通的水更難從間隙中被擠出來(lái)。這在一定程度上可以解釋這層界面為何會(huì)有如此優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

這項(xiàng)研究還解釋了為什么滑冰會(huì)有如此特殊的潤(rùn)滑現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑摩擦和伴隨而來(lái)的磨損常常導(dǎo)致在兩個(gè)摩擦物體之間形成一層不同的材料，我們可以稱(chēng)這種材料為第三物體。這種第三物體的形成過(guò)程依賴(lài)于兩個(gè)摩擦物體的表面受磨損的方式，甚至通常與摩擦所引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，因此第三個(gè)物體的形成在很大程度上是系統(tǒng)特有的。換句話說(shuō)，很少有其他材料能在摩擦和磨損下形成具有粘彈性的液-固態(tài)第三物體。

4 更多的問(wèn)題

這一發(fā)現(xiàn)使得物理學(xué)家急需對(duì)現(xiàn)有的描述冰摩擦的理論框架進(jìn)行徹底修改。當(dāng)然，一些有趣的問(wèn)題依然存在，例如這種現(xiàn)象在嶄新的冰上的形成速度是否快到能夠在接觸時(shí)就立馬其到潤(rùn)滑作用？這層界面的存在如何解釋滑冰場(chǎng)的最佳溫度是-7℃？研究人員希望，新的理論能更好地幫助理解一些冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的冰上滑動(dòng)現(xiàn)象，以及為一些需要處理摩擦問(wèn)題的應(yīng)用提供有用的解決方案。

另一個(gè)百年難題：水是如何結(jié)冰的？

其實(shí)，冰與水隱藏著許多意想不到的古老謎團(tuán)。我們常說(shuō)“冰凍三尺，非一日之寒”，而水究竟是如何凍結(jié)成冰的？這便是一個(gè)我們直到現(xiàn)在才找到答案的問(wèn)題。

在一篇發(fā)表在《自然》雜志的文章中，中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員描述了他們?nèi)绾斡眉{米級(jí)的氧化石墨烯解開(kāi)了這一謎團(tuán)。

當(dāng)一滴水結(jié)成冰時(shí)，它通常從一個(gè)被稱(chēng)為冰核的微小顆粒開(kāi)始，在冰核上會(huì)形成第一個(gè)冰晶，然后冰晶再向水滴的其他部分?jǐn)U散，蔓延到更大的水體。

你或許對(duì)冰核這個(gè)概念感到陌生，但你很可能見(jiàn)證過(guò)它發(fā)揮作用。一瓶非常純凈的水即使在0℃以下也能維持液態(tài)，但只要輕輕晃動(dòng)一下瓶子，水就會(huì)很快結(jié)冰。這是因?yàn)檎饎?dòng)在水中引入了不規(guī)則的冰核，開(kāi)啟了凍結(jié)過(guò)程。但更常見(jiàn)的是冰核是雜質(zhì)。新的研究確切地確認(rèn)了，多大的冰核才可以開(kāi)啟這個(gè)凍結(jié)過(guò)程。

研究人員使用了數(shù)萬(wàn)億個(gè)微小的氧化石墨烯顆粒來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。他們將水和納米級(jí)的氧化石墨烯（3~50nm²）混合，然后降低溫度。當(dāng)他們使用小于8nm²的氧化石墨烯顆粒時(shí)，那么只有在-27.5°C左右這樣的極低溫度下，顆粒邊緣才會(huì)開(kāi)始形成冰晶；但當(dāng)大小為8nm²時(shí)，形成冰的臨界溫度上升了10°C左右。他們還用其他納米顆粒進(jìn)行了同樣的測(cè)試，證實(shí)了無(wú)論使用何種材料，結(jié)冰過(guò)程都是一樣的。

參考來(lái)源：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041025https://www.nature.com/articles/d41586-019-03833-5

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