摩擦摩擦！冰为什么这么滑？

冰为什么这么滑？很少有人能从微观层面回答这个问题。摩擦导致的冰面融化和流动实验有助于解释滑冰时摩擦力超低的原因。

图1 | 分析冰的润滑层。Canale等人¹研究了能对冰上滑行物体起到润滑作用的融水薄层。作者在一个肉眼可见的铝制音叉一头粘了一个几毫米大的玻璃珠。研究人员让音叉振动，上面的玻璃珠也会在冰面上振荡。音叉上的加速计可以测量玻璃珠在水平方向和垂直方向上的振荡幅度。根据这些测量数据，就能计算出玻璃珠和冰面之间的摩擦系数，以及润滑层的流体性质（流变性）。观测得到的润滑层粘度和弹性表明，润滑层中含有水和冰颗粒的混合物。

粘有玻璃珠的一端还有一个加速计，加速计用来测量玻璃珠在平行于冰面方向上的振荡幅度，并与驱动力的幅值进行比较。Canale等人利用两者的差异计算出了玻璃珠和冰面之间的摩擦力。同时，作者还能通过玻璃珠在垂直于冰面方向上的微小振荡（只有几十纳米，确保不会影响到摩擦力的测量），得出润滑层的性质。作者使用与测量水平运动相同的方式测量了玻璃珠在垂直方向上受到的作用力。根据这两个测得力的比值就能计算出玻璃和冰之间的摩擦系数。

Canale等人所用的方法不仅能测量垂直运动的幅度变化，还能测量驱动力让玻璃珠产生振动所需要的时间（相移）。作者通过计算得出了冰面润滑层的机械阻抗——这里的机械阻抗表示润滑层对玻璃珠施力的抵抗。这些数据对应了润滑层的流体性质（流变性）。

综合这些测量值，作者可以同时得到润滑层的摩擦力和流变性。实验表明，润滑层对于在其上滑动的物体会同时产生粘性和弹性。这种行为不仅有别于普通的水，和冰的行为也不一样。因此，实验结果告诉我们，滑冰需要的不只是一层水。

所以，究竟发生了什么？之前人们通过复杂的光谱学技术研究过不同温度下的冰面³，发现冰的融化是非连续的，且以连续的双分子层为单位融化——第一个双分子层在约70℃融化，第二个在20℃融化。但是，在相同温度范围内测得的摩擦值显示，冰面的摩擦不会随双分子层的融化而变化⁴。可以说，冰之所以很滑不仅要看它在融化时的表面性能，还有它和冰刀之间的相互作用。

Canale等人的实验支持了这个观点。作者提出，在同一个点上反复滑动会产生一种冰和水的混合物，这种混合物在受到负荷压迫时，会同时表现出弹性行为（来自冰）和粘性行为（来自水），最终产生的这层物质比普通的水更难被挤出来。这个结果至少能在某种程度上解释这层物质具有完美润滑性能的原因。

这项最新研究还就“为什么只有冰可以滑”的问题给出了初步回答。润滑后的摩擦力以及同时发生的磨损通常会在两个摩擦物体间产生另一种物质，这种物质也被称为第三体。由于这一过程依赖于摩擦物体表面的特定磨损方式，甚至还依赖于摩擦产生的化学反应，因此，第三体的形成在很大程度上是和系统相关的。换言之，很少有材料能够在摩擦和磨损的情况下形成具有粘弹性的液-固态第三体，类似于Canale等人这次在实验中观察到的这种。

还有一些有趣的问题。比如，观察到的这层物质是否能在冰面被接触后迅速形成，起到润滑作用？这层物质的存在与零下7℃的最佳滑冰温度^4,5有什么关系？（这也是所有速滑冰场设置的温度）除了能解释滑冰外，对薄润滑层性质的详细测量数据还有其他作用——因为这种薄膜大多与普通润滑剂的性质不同⁶，且润滑过程中第三体的来源和作用都还是未知数。这些问题的重要性在于，大多数情况下，润滑是减少摩擦力的唯一方式，而世界上大约20%的能量损耗是由摩擦导致的⁷。

参考文献：

1.Canale, L. et al. Phys. Rev. X 9, 041025 (2019).

2.Faraday, M. XXIV. Philos. Mag. Ser. 4 17, 162–169 (1859).

3.Sánchez, M. A. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, 227–232 (2017).

4..Weber, B. et al. J. Phys. Chem. Lett. 9, 2838–2842 (2019).

5.de Koning, J. J. et al. J. Biomech. 25, 565–571 (1992).

6.Dowson, D. & Higginson, G. R. Elasto-hydrodynamic Lubrication 1–14 (Pergamon, 1966).

7.Holmberg, K. & Erdemir, A. FME Trans. 43, 181–185 (2015).

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