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冰為什么這么滑？因?yàn)樯厦嬗小澳z水”

2019-11-25 10:57:19來(lái)源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：顯微鏡閱讀量：4277

　　【儀器網(wǎng) 時(shí)事聚焦】已經(jīng)過(guò)了小雪，雖然南方還沒(méi)有入冬，但東北早在9月份就下了冬天的場(chǎng)雪。上周，黑龍江黑河學(xué)院的學(xué)生們拉著水罐車給操場(chǎng)連夜?jié)菜?，自己?dòng)手制造了一個(gè)溜冰場(chǎng)，讓南方的同學(xué)紛紛吃起了檸檬。在愉快滑冰或者看別人愉快滑冰的時(shí)候，你們是不是也同樣思考過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：為什么冰那么滑？

　　也許很多人都知道，冰之所以那么滑，除了冰面本身較光滑平整之外，更重要的是因?yàn)楸嫔嫌幸粚铀?。早?9世紀(jì)就有科學(xué)家對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行解釋。1886年，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·杰里提出“壓力融解說(shuō)”，即壓力會(huì)使冰的熔點(diǎn)降低。當(dāng)人穿著滑雪鞋站在冰面上時(shí)，體重會(huì)給冰刀下的冰施加壓力，使接觸面的冰融化形成一層薄薄的水層，起到潤(rùn)滑的作用。然而后續(xù)的研究卻指出，一個(gè)正常體重的人穿著冰刀站在冰面上熔點(diǎn)降低的幅度很小，與賽場(chǎng)上冰面的低溫相比幾乎沒(méi)有影響。

　　“壓力融解說(shuō)”受到質(zhì)疑后，科學(xué)家又提出了“摩擦融解說(shuō)”和“表面融化說(shuō)”。“摩擦融解說(shuō)”認(rèn)為冰刀與冰面的快速摩擦產(chǎn)生了熱量使冰融化，但是卻無(wú)法解釋即使站在冰面上不動(dòng)也可能滑倒的問(wèn)題。“表面融化說(shuō)”則認(rèn)為冰層表面本來(lái)就有水存在。1987年，科學(xué)家通過(guò)X射線成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)冰面上存在著一層只有大約100納米厚的水分子層，不過(guò)因?yàn)樗畬犹?，在?shí)驗(yàn)中幾乎無(wú)法與冰面區(qū)分。2017年荷蘭科學(xué)家用兩束飛秒級(jí)的激光照射冰面，通過(guò)分析得到的光譜，證實(shí)冰面上確實(shí)存在液體層，在-3℃的冰面上，這個(gè)液體層有著4個(gè)分子厚。“表面融化說(shuō)”得到了科學(xué)界的普遍認(rèn)同。

　　然而問(wèn)題到這個(gè)階段仍然沒(méi)有解決。雖然冰面上水的來(lái)源已經(jīng)有了一個(gè)比較合理的解釋，但新的問(wèn)題又出現(xiàn)了——冰表面的液體真的是水嗎？水的潤(rùn)滑性很差，似乎無(wú)法用來(lái)為冰面潤(rùn)滑。一般的觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)冰面受到壓力時(shí)，水分會(huì)被擠壓進(jìn)冰面的縫隙中，使冰面變得更光滑，減少冰面的摩擦。

　　來(lái)自新加坡與日本的研究人員分別提出了質(zhì)疑。新加坡的研究人員認(rèn)為水結(jié)冰之后表面的水分子之間的化學(xué)鍵雖然被拉長(zhǎng)但沒(méi)有斷裂，形成一種“超固體皮膚”，而日本的研究人員認(rèn)為這層液體是冰融化成水的中間狀態(tài)。

　　前幾日，法國(guó)巴黎高等學(xué)院的研究小組利用配有音叉的超高分辨率新顯微鏡觀察了冰面的液體層，利用音叉的振動(dòng)在冰面上來(lái)回拖動(dòng)一個(gè)玻璃球，為研究人員提供玻璃珠滑動(dòng)時(shí)的摩擦數(shù)據(jù)，并且玻璃球還可以進(jìn)出冰面，以便研究人員測(cè)量液體層的黏度。后的結(jié)果讓研究人員感到吃驚——冰面液體層的黏性是正常水的100倍。

　　這里的黏性不是膠水黏不黏的黏性，而是指流體粘度，定義為在一對(duì)平行板間充以某液體，對(duì)上板施加的使其產(chǎn)生速度變化度所需的力。流體潤(rùn)滑的原理是通過(guò)具有一定粘度的流體將摩擦副兩表面隔開，用流體的內(nèi)摩擦代替固體間的外摩擦。一般來(lái)說(shuō)潤(rùn)滑劑的粘度越大，潤(rùn)滑效果越好。而普通的水粘度太小，很難形成潤(rùn)滑膜，因此無(wú)法作為潤(rùn)滑劑使用。但是當(dāng)冰面水層的粘度增加到原來(lái)的100倍后，潤(rùn)滑效果就有了顯著的提升。液體層的潤(rùn)滑性從何而來(lái)這個(gè)問(wèn)題就此得到了解決。

　　那么“冰面為什么這么滑”有答案了嗎？依然沒(méi)有，水層粘度變大的謎底還需要科學(xué)家去尋找。也許需要另一個(gè)像將音叉與顯微鏡結(jié)合這樣的創(chuàng)意，制作出新的研究?jī)x器，才能再向終答案邁出一步。

　　(參考資料來(lái)源：科學(xué)世界、科技日?qǐng)?bào))

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