【48812】冰面究竟为什么滑？这可能是个分子动力学的问题

　　化学家们总是“较真的”，他们一定要给出一个合理的解说：冰为何会有很小的冲突力，是由于脚丫子或鞋等身体分量的支撑点与冰面之间有一层水，水分子能起到润滑的效果，所以不管是不是穿戴溜冰鞋，都能在冰上滑出“似魔鬼的脚步”。

　　但是，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？

　　撒播最广的应该是“压力消融说”——冰在压力下消融，构成水膜。这个主意来自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下降。[1] 也便是说，只需有足够大的压力，冰就会变成水。而所谓的“复冰现象”，便是压力增大使冰消融，然后在压力康复常值时从头结冰的现象。动画片里，柯南还依据“复冰现象”破解过冰室杀人之谜。

　　解说看似很合理，但往往撒播最广的不一定就最精确。比方，一个体重约68公斤的人站在冰上，只能使冰的熔点下降大约0.0167 ℃。冰场的冰面温度大约是-3.5 ~ -7 ℃，即使是穿戴溜冰鞋，接触面只要冰刀那么一点点面积，想让冰在零下3.5摄氏度消融，也需求运动员体重到达约200公斤，这体重踩着冰刀去玩花样滑冰？？？此外，压力消融并不会当即发生，一个人也不可能简略地经过压力消融出冰面上的一层水。

　　所以，科学家又提出了“冲突生热消融说”。这个解说好像愈加直观，冰刀高速冲突冰面，发生热量，使冰面消融。但是细想就会发觉缺点，例如许多人一站到冰面上，动都没动就摔倒了，底子还只要少量的冲突去生热。

　　1987，科学家用X射线成像证明了冰面上确实存在一层“准液体”水。它十分十分薄，在-1 ℃时其厚度介于1~94 nm之间。[3]

　　上一年，Huib J。 Bakker课题组使用Surface sum-frequency generation （SFG） spectroscopy技能观测冰外表的这层“准液体”。研讨之后发现，冰中的水分子经过氢键互相结合，安稳的摆放在一起，构成晶体结构。而外表上的分子摆放却十分紊乱，构成一层过冷液体“水膜”。从零度到零下二十多度，这层“水膜”一向存在。[2] 该作业宣布在Angew 上，并作为封面文章报导。

　　近来，荷兰阿姆斯特丹大学Daniel Bonn课题组规划了一个风趣的试验来研讨这层“准液体”。研讨者测试了一个金属球在冰面上的滑动冲突，操控冰面温度从-100 ℃到0 ℃，小球的运动速度从10-6到10-1 m s-1。成果发现：低温时，冰面的冲突力较大，-70 ℃开端冲突力敏捷下降，在-7 ℃时冲突力到达最小值。[4]

　　试验进程示意图及分子模仿。图片来自：J。 Phys。 Chem。 Lett。

　　风趣的是，冲突系数并不随温度出现单调改变。在低温下，冰的外表并不滑，-100 ℃时冲突系数为μ=0.5，和枯燥玻璃外表的冲突系数差不多。一起，在低冲突（-7 ℃和-21 ℃）条件下，冲突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冲突系数的巨细，由此可见，与速度相关的冲突加热并没有起到重要的效果。

　　研讨者随后进行了分子动力学模仿，研讨标明大部分的冰中的水分子构成四个氢键，而在冰外表的“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，只要两个氢键的分子份额开端添加，与基层冰衔接的氢键开裂，使得冰外表发生了许多具有流动性的“水分子”，实际上也能够称作“可移动的冰”。这就像地面上铺了一层翻滚的圆木，冰面也由于这样变得十分润滑。

　　现在总算理解了吧，冰面为什么滑？何时最滑？这都是需求用分子动力学来解说的化学问题。

　　PS：身边如果有高考完的年轻人向你讨教怎么填写专业，无妨把本文发给他们看下，说不定就有人就和咱们相同上了化学的车呢？