为什么冰面很滑？科学家终于给出了答案学术资讯

图片1.png

▲ 在实验中，一个钢珠在冰面上滑动。冰面由快速翻滚的流动水分子组成，但这些水分子只是松散地与底层冰结合在一起。

冬季运动，如滑雪、速滑和花样滑冰，都需要利用冰和雪的光滑表面。虽然我们都知道冰的表面是光滑的，但其本质原因还从未被完全理解。

1886年，爱尔兰物理学家John Joly提出了第一个关于冰上摩擦力小的科学解释。当一个物体——例如溜冰鞋——接触到冰面时，它的接触压力很高，以至于使接触面的冰融化，从而形成一个液体水层，从而润滑物体。目前的共识是，尽管冰表面的液态水确实减少了冰面上的滑动摩擦，但这种液态水并不是由压力而融化的，而是在滑动过程中产生的摩擦热造成的。

由荷兰阿姆斯特丹大学的Daniel Bonn教授和德国马克斯·普朗克聚合物研究所（MPI-P）的Mischa Bonn教授兄弟俩领导的研究小组现在已经证明，冰面上的摩擦力比目前所认识的要复杂得多。在0℃至负100℃下进行的宏观摩擦实验表明，在典型冬季运动温度下，冰表面会从极其光滑转变为在-100℃时具有高摩擦的表面。研究成果发表在了最新的《物理化学快报》。

为了研究这种温度依赖性滑移的起因，研究人员对表面的水分子状态进行了光谱测量，并与分子动力学(MD)模拟进行了比较。实验和理论的结合揭示了冰表面存在两种类型的水分子：附着在底层冰上的水分子(由三个氢键束缚)和流动水分子（只受两个氢键的束缚）。这些流动的水分子由热振动驱动，不断地在冰上翻滚——就像微小的球体。

随着温度的升高，两种表面分子相互转化：流动水分子的数量增加，而水分子被固定在冰面上。值得注意的是，这种温度驱动的变化所引起的冰面上最上层的水分子的移动完全符合摩擦力的温度依赖性：表面的流动性越大，摩擦越低，反之亦然。因此，研究人员得出的结论是：表面水分子的高流动性导致了冰的滑溜。

虽然随着温度增加，表面流动性一直在增，但0℃并不是在冰上滑行的理想温度。实验表明,摩擦实际上在-7℃时是最小的。

科界原创

编译：Coke 审稿：西莫编辑：程建兰

来源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180509121544.htm