冰面到底为什么这么滑？这是个分子动力学的问题

　　来源：中科院物理所

　　原标题：冰面为什么滑？这是个分子动力学问题

　　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。

　　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？

　　恭喜你，答对了！都会抢答了哈！


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。

　　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？