冰面为什么滑？这是个化学问题

冰面为什么滑呢？

企鹅界的世界杯竞争也很激烈。图片来源于网络

冰面本来就是滑的啊，这不是常识吗？有什么好解释的？

化学家们总是“较真的”，他们一定要给出一个合理的解释：冰之所以会有很小的摩擦力，是因为脚丫子或鞋等身体重量的支撑点与冰面之间有一层水，水分子能起到润滑的作用，所以无论是否穿着溜冰鞋，都能在冰上滑出“似魔鬼的步伐”。

无序的水分子（左）和排列整齐的冰（右）。图片来源：Ascalaph Designer program

然而，问题又来了，冰面上的水从哪里来的呢？冰面温度那么低，水都应该结冰才对啊？

流传最广的应该是“压力融化说”——冰在压力下融化，形成水膜。这个想法来自James Thompson在 19世纪50年代提出了一个数学模型：冰的熔点随压强的增大而降低。^[1]也就是说，只要有足够大的压力，冰就会变成水。而所谓的“复冰现象”，就是压力增大使冰融化，然后在压力恢复常值时重新结冰的现象。动画片里，柯南还根据“复冰现象”破解过冰室杀人之谜。

图片来源：《名侦探柯南》687集

解释看似很合理，但往往流传最广的不一定就最准确。比如，一个体重约68公斤的人站在冰上，只能使冰的熔点降低大约0.0167 ℃。冰场的冰面温度大约是-3.5 ~ -7 ℃，即使是穿着溜冰鞋，接触面只有冰刀那么一点点面积，想让冰在零下3.5摄氏度融化，也需要运动员体重达到约200公斤，这体重踩着冰刀去玩花样滑冰？？？此外，压力融化并不会立即发生，一个人也不可能简单地通过压力融化出冰面上的一层水。

韩国花样滑冰运动员金妍儿。图片来源于网络

于是，科学家又提出了“摩擦生热融化说”。这个解释似乎更加直观，冰刀高速摩擦冰面，产生热量，使冰面融化。可是细想就会发现问题，例如很多人一站到冰面上，动都没动就摔倒了，根本还没有足够的摩擦去生热。

这也不对，那也不对，难不成冰面上本来就有一层水？

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冰表面液态水层示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed. ^[2]

1987，科学家用X射线成像证实了冰面上的确存在一层“准液体”水。它非常非常薄，在-1 ℃时其厚度介于1~94 nm之间。^[3]

去年，Huib J. Bakker课题组利用Surface sum-frequency generation (SFG) spectroscopy技术观测冰表面的这层“准液体”。研究发现，冰中的水分子通过氢键彼此结合，稳定的排列在一起，形成晶体结构。而表面上的分子排列却非常混乱，形成一层过冷液体“水膜”。从零度到零下二十多度，这层“水膜”一直存在。^[2] 该工作发表在Angew 上，并作为封面文章报道。

当期杂志封面。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

近日，荷兰阿姆斯特丹大学Daniel Bonn课题组设计了一个有趣的实验来研究这层“准液体”。研究者测试了一个金属球在冰面上的滑动摩擦，控制冰面温度从-100 ℃到0 ℃，小球的运动速度从10^-6到10^-1m•s^-1。结果发现：低温时，冰面的摩擦力较大，-70 ℃开始摩擦力迅速下降，在-7 ℃时摩擦力达到最小值。^[4]

实验过程示意图及分子模拟。图片来源：J. Phys. Chem. Lett.

有趣的是，摩擦系数并不随温度呈现单调变化。在低温下，冰的表面并不滑，-100 ℃时摩擦系数为μ＝0.5，和干燥玻璃表面的摩擦系数差不多。同时，在低摩擦（-7 ℃和-21 ℃）条件下，摩擦系数与物体的滑动速度无关，滑动速度改变了4个数量级都不能影响摩擦系数的大小，由此可见，与速度相关的摩擦加热并没有起到重要的作用。

研究者随后进行了分子动力学模拟，研究表明大部分的冰中的水分子形成四个氢键，而在冰表面的“准液体”层中的每个分子与两到三个水分子以氢键结合。当温度高于-70 ℃时，只有两个氢键的分子比例开始增加，与下层冰连接的氢键断裂，使得冰表面产生了很多具有流动性的“水分子”，实际上也可以称作“可移动的冰”。这就像地面上铺了一层滚动的圆木，冰面也因此变得非常光滑。

现在终于明白了吧，冰面为什么滑？什么时候最滑？这都是需要用分子动力学来解释的化学问题。

PS：身边如果有高考完的年轻人向你请教如何填报专业，不妨把本文发给他们看下，说不定就有人就和我们一样上了化学的车呢？

参考文献：

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）