為什么冰面是滑的？未必是因為它“化”成了水

▲固體通常沒有這般光滑的表面。來源：Marcus Lindstrom

無論是在溜冰場上優(yōu)雅滑行，還是在結(jié)冰的人行道上不慎摔倒，這都與冰面上覆蓋著的一層極薄水膜有關(guān)。科學(xué)家們普遍認(rèn)為，正是這層具有潤滑作用的類液體膜讓冰面變滑，但對于它如何形成，仍存在不同看法。

圍繞這一問題的討論由來已久，主要有三種解釋：壓力、摩擦和表面預(yù)熔（premelting，即在溫度低于熔點時固體表面形成一層準(zhǔn)液態(tài)膜）。去年，德國科學(xué)家Achraf Atila等人在《Physical Review Letters》發(fā)表研究，提出了第四種解釋，非晶化（amorphization），他們認(rèn)為這一假說解開了冰面為何會滑的謎題。

但事實果真如此嗎？我們似乎離答案更近了一步，卻仍未達成共識。冰面到底為什么是滑的？我們找到了目前已有的各種假說，但真相依然懸而未決。

假說1: 壓力

19世紀(jì)中期，英國工程師James Thomson提出：當(dāng)人站在冰上時，施加的壓力會使冰面融化，從而變滑。通常情況下，冰在溫度上升到0攝氏度（32華氏度）時才會融化。但壓強可以降低冰的熔點，使冰面在較低溫度下也可能形成水膜。James Thomson的弟弟William Thomson，也就是著名的Lord Kelvin，通過實驗證實了壓強與熔點之間的關(guān)系。

然而20世紀(jì)30年代，劍橋大學(xué)物理化學(xué)實驗室的Frank P. Bowden和T.P. Hughes對壓力假說提出質(zhì)疑。他們通過計算發(fā)現(xiàn)，一般情況下滑雪者施加的壓強很小，并不能顯著降低冰的熔點。若要通過壓強讓冰融化，滑雪者的體重需要達到數(shù)千公斤。

假說2: 摩擦

Bowden和Hughes提出了另外一種解釋：物體在冰面滑動時，摩擦產(chǎn)生的熱量會使冰面融化，從而形成水膜。

在瑞士阿爾卑斯山的人造冰洞中，他們用一套復(fù)雜的裝置測量了冰與不同材料之間的摩擦力。結(jié)果顯示，與導(dǎo)熱性弱的材料（如硬橡膠）相比，導(dǎo)熱性強的材料（如黃銅）摩擦力更大。由此他們得出結(jié)論：當(dāng)冰面與易吸收熱量的材料摩擦?xí)r，可用于融化冰的熱量減少，冰面因此變得沒那么滑。實驗結(jié)果支持他們的理論，即摩擦引起的融化使冰面變滑。

盡管摩擦假說仍出現(xiàn)在教科書中，許多科學(xué)家并不認(rèn)同這一解釋。阿姆斯特丹大學(xué)的物理學(xué)家Daniel Bonn認(rèn)為：“這一理論的問題在于，你只能融化身后已經(jīng)滑過的冰面，卻無法融化正在滑行的冰面。”或許，在人踩上去的那一刻，在可能產(chǎn)生摩擦生熱的動作發(fā)生之前，冰面就已經(jīng)變滑了。

▲阿姆斯特丹大學(xué)Daniel Bonn團隊設(shè)計了一個微觀溜冰場，用于探究冰面為什么會滑。來源：Daniel Bonn

為了測試摩擦假說，Bonn團隊設(shè)計制作了一個微觀溜冰場，他們用金屬模擬冰刀，讓它以不同的速度旋轉(zhuǎn)，并測量每次移動金屬所需要的力，以及金屬施加給冰面的力。兩種力的比值反映冰面的滑度。摩擦產(chǎn)生的熱量應(yīng)隨速度增加，但實驗結(jié)果顯示，冰面的滑度與速度無關(guān)，這表明摩擦生熱并非冰面變滑的原因。

假說3: 表面預(yù)熔

除了以上兩種假說，還有另外一種可能：冰面在物體接觸之前，本身就是濕的。

1842年，英國科學(xué)家Michael Faraday發(fā)現(xiàn)，兩塊冰接觸時會凍在一起（即復(fù)冰現(xiàn)象），甚至連溫?zé)岬氖忠矔吃诒稀Ｋ茰y，這是因為冰面存在薄薄的預(yù)熔層，當(dāng)被覆蓋時，這層水膜會再次凍結(jié)。當(dāng)時Faraday并不能解釋預(yù)熔層為何存在，直到一個世紀(jì)后Charles Gurney和Woldemar Weyl等科學(xué)家才提出了“表面預(yù)熔”的可能機制。

他們推測，靠近冰面的分子與冰內(nèi)部的分子表現(xiàn)不同。冰是一種晶體，內(nèi)部的水分子通過氫鍵聯(lián)結(jié)，形成周期性有序排列的穩(wěn)定晶格。但在冰的表面，水分子缺少鄰近分子與之充分鍵合，因此束縛較弱，自由度更高。在所謂的預(yù)熔層中，分子很容易因滑冰鞋、滑雪板或鞋子而移動。

如今，科學(xué)家們普遍認(rèn)同預(yù)熔層的存在，至少在接近熔點的情況下，但關(guān)于它在冰面變滑中的作用，仍存在分歧。

▲教科書中關(guān)于冰面為什么會滑的解釋，與20世紀(jì)30年代在瑞士阿爾卑斯山少女峰冰宮進行的一系列實驗有關(guān)。不過如今，許多科學(xué)家并不認(rèn)同這一解釋。來源：Nathaniel Noir

幾年前，馬德里康普頓斯大學(xué)的物理學(xué)家Luis MacDowell和他的合作者通過一系列的計算模擬，測試了壓力、摩擦和表面預(yù)熔三種假說。他指出，“在計算機模擬中，可以觀察原子運動”，這在真實實驗里是無法做到的，“還可以觀察原子周圍的情況”，由此可以判斷它們是像在固體內(nèi)部那樣周期性排列，還是像在液體中那樣呈無序狀態(tài)。

他們發(fā)現(xiàn)，模擬的冰表面確實存在僅有幾分子厚的類液體膜，這與表面預(yù)熔理論的預(yù)測一致。當(dāng)模擬重物滑過冰面時，類液體膜變厚，這支持了壓力假說。最后，他們測試了摩擦生熱假說。結(jié)果顯示，在溫度接近冰的熔點時，預(yù)熔層已足夠厚，摩擦生熱的影響微乎其微；而在較低溫度下，物體滑過冰面時產(chǎn)生的熱量會融化冰層，增加預(yù)熔層的厚度。

Luis MacDowell 總結(jié)道：“這三種看似對立的假說，某種程度上是同時起作用的。”

假說4: 非晶化

或許冰面融化并不是它變滑的主要原因。

近期，德國薩爾大學(xué)的一個研究團隊對三種主流理論提出了質(zhì)疑。首先，他們指出，若要壓強高到足以融化冰面，滑雪板和冰的接觸面積需要“小到不合理”。其次，實驗表明，當(dāng)滑雪板以正常速度滑行時，摩擦產(chǎn)生的熱量并不足以讓冰融化。最后，他們發(fā)現(xiàn)在極低溫度下，即使沒有預(yù)熔層，冰面依然是滑的。（在極低的溫度下，冰表面的分子雖然同樣缺少鄰近分子，但沒有足夠的熱能掙脫與內(nèi)部分子的強鍵合。）該團隊的材料學(xué)家Achraf Atila說，“因此，冰面變滑，可能是上述所有因素或者其中幾種共同作用的結(jié)果，也可能還有我們尚未發(fā)現(xiàn)的其他原因”。

▲德國薩爾大學(xué)的材料學(xué)家們通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩塊冰相互滑動時，接觸面的非晶化層會逐漸變厚。來源：Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025)

科學(xué)家們在其他物質(zhì)（如鉆石）的研究中找到了另一種解釋。寶石拋光師根據(jù)經(jīng)驗知道，鉆石的某些面比其他面更容易拋光，或者說更“軟”。2011年，另一德國研究團隊發(fā)表論文解釋了這一現(xiàn)象。他們模擬了兩顆鉆石相互滑動的情景：機械力將表面原子從原有鍵合中拉出，使它們能夠運動，形成新的鍵合，如此往復(fù)。在滑動過程中，形成了無結(jié)構(gòu)的“非晶化（amorphous）”層。與鉆石的晶體結(jié)構(gòu)不同，非晶化層是無序的，它更像液體而非固體。這種非晶化效應(yīng)取決于表面分子的排列方向，因此晶體的某些側(cè)面比其他面更軟。

Atila及其合作者認(rèn)為，冰中也存在類似機制。他們模擬冰面相互滑動，同時將模擬系統(tǒng)的溫度保持在足夠低的水平，確保冰不會融化。（這種情況下，冰變滑存在融化之外的其他解釋。）模擬初期，兩個冰面像磁鐵一樣互相吸引。這是因為水分子是偶極子，內(nèi)部正負電荷分布不均，正負電荷中心不重合。一個分子的正極吸引另一個分子的負極。這種吸引力在接觸面上形成了類似冷焊的微小連接。隨著滑動的進行，原有的連接被打破，新的連接不斷形成，冰的結(jié)構(gòu)也因此逐漸改變。

該團隊重復(fù)了模擬實驗，他們用與水相互吸引或相互排斥的材料替換了其中一側(cè)的冰面。結(jié)果顯示，冰表面的分子同樣因滑動而發(fā)生位移，尤其是當(dāng)替代材料對冰有吸引力時。

▲在德國團隊的另一模擬中，一個更接近真實情況的粗糙表面滑過冰面，使表層分子發(fā)生位移。來源：Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025)

計算機模擬結(jié)果表明，滑動過程中，原本有序的晶格結(jié)構(gòu)被機械力打破，形成非晶化層，這一非晶化層隨著滑動而增厚。該研究團隊認(rèn)為，正是這種結(jié)構(gòu)上的非晶化，而非熱力學(xué)意義上的融化，解釋了冰面為什么是滑的，尤其是在低溫條件下。

暫被擱置的共識

Luis MacDowell認(rèn)同Achraf Atila及其合作者在論文中報告的結(jié)果，但他認(rèn)為非晶化只會發(fā)生在高速滑動的情況下（原作者并不認(rèn)同這一觀點，但模擬低速滑動需要極大的計算能力，目前很難實現(xiàn)）。

Daniel Bonn也支持非晶化這一解釋。他認(rèn)為，這與他團隊2021年的實驗結(jié)果一致。這些實驗與Atila等人的模擬都表明，冰變滑與表面結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)，只是研究者們使用了不同的術(shù)語解釋這一變化。Atila認(rèn)為這源于水分子的機械位移，而Bonn則更關(guān)注表面分子自身的流動性。Bonn把冰面比作鋪滿小球的地板：“因為小球極易滾動，在這樣的房間里，很難站穩(wěn)。就像在冰上很難保持直立一樣。”

Bonn認(rèn)為，兩種理論在描述上的差異是“語義問題”，但Atila的合作者Sergey Sukhomlinov認(rèn)為“雖然看起來相似，但這是不同的機制”。

冰面為什么滑？這一問題看似簡單，卻由來已久。我們無疑正越來越接近答案。研究者之間缺乏一套統(tǒng)一的術(shù)語，也許是解開這一謎題的主要障礙之一。相似的現(xiàn)象可能被賦予不同的名稱，從而引出不同的假說。Bonn還指出“研究冰的學(xué)者們持有不同甚至對立的觀點，但很少明確表達彼此之間的分歧”。

參考資料：

1. Cold self-lubrication of sliding ice

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/1plj-7p4z

2. The mechanism of sliding on ice and snow

https://royalsocietypublishing.org/rspa/article/172/949/280/5945/The-mechanism-of-sliding-on-ice-and-snow

3. Surface forces in liquids and solids

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0370-1298/62/10/305

4. Surface structure of water and some of its physical and chemical manifestations

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0095852251900116

5. Ice friction at the nanoscale

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209545119

6. Anisotropic mechanical amorphization drives wear in diamond

https://www.nature.com/articles/nmat2902

7. Friction on ice: How temperature, pressure, and speed control the slipperiness of ice

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011025

8. Why is ice slippery?

https://physicstoday.aip.org/features/why-is-ice-slippery

9. Why we slip on ice: Physicists challenge centuries-old assumptions

https://www.uni-saarland.de/en/news/why-we-slip-on-ice-physicists-challenge-centuries-old-assumptions-39295.html

https://www.quantamagazine.org/why-is-ice-slippery-a-new-hypothesis-slides-into-the-chat-20251208/

編譯：WW

審校：myles h