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冰為什么這么滑？因為上面有“膠水”

2019-11-25 10:57:19來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：顯微鏡閱讀量：4200

導(dǎo)讀：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，更重要的是因為冰面上有一層水。前幾日，法國巴黎高等學(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，發(fā)現(xiàn)冰面液體層的黏性是正常水的100倍。

　　【儀器網(wǎng) 時事聚焦】已經(jīng)過了小雪，雖然南方還沒有入冬，但東北早在9月份就下了冬天的場雪。上周，黑龍江黑河學(xué)院的學(xué)生們拉著水罐車給操場連夜?jié)菜?，自己動手制造了一個溜冰場，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候，你們是不是也同樣思考過這樣一個問題：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，更重要的是因為冰面上有一層水。早在19世紀(jì)就有科學(xué)家對這種現(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”，即壓力會使冰的熔點(diǎn)降低。當(dāng)人穿著滑雪鞋站在冰面上時，體重會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，起到潤滑的作用。然而后續(xù)的研究卻指出，一個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，與賽場上冰面的低溫相比幾乎沒有影響。

　　“壓力融解說”受到質(zhì)疑后，科學(xué)家又提出了“摩擦融解說”和“表面融化說”。“摩擦融解說”認(rèn)為冰刀與冰面的快速摩擦產(chǎn)生了熱量使冰融化，但是卻無法解釋即使站在冰面上不動也可能滑倒的問題。“表面融化說”則認(rèn)為冰層表面本來就有水存在。1987年，科學(xué)家通過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，不過因為水層太薄，在實驗中幾乎無法與冰面區(qū)分。2017年荷蘭科學(xué)家用兩束飛秒級的激光照射冰面，通過分析得到的光譜，證實冰面上確實存在液體層，在-3℃的冰面上，這個液體層有著4個分子厚。“表面融化說”得到了科學(xué)界的普遍認(rèn)同。

　　然而問題到這個階段仍然沒有解決。雖然冰面上水的來源已經(jīng)有了一個比較合理的解釋，但新的問題又出現(xiàn)了——冰表面的液體真的是水嗎？水的潤滑性很差，似乎無法用來為冰面潤滑。一般的觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)冰面受到壓力時，水分會被擠壓進(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)鍵雖然被拉長但沒有斷裂，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，利用音叉的振動在冰面上來回拖動一個玻璃球，為研究人員提供玻璃珠滑動時的摩擦數(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，定義為在一對平行板間充以某液體，對上板施加的使其產(chǎn)生速度變化度所需的力。流體潤滑的原理是通過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。一般來說潤滑劑的粘度越大，潤滑效果越好。而普通的水粘度太小，很難形成潤滑膜，因此無法作為潤滑劑使用。但是當(dāng)冰面水層的粘度增加到原來的100倍后，潤滑效果就有了顯著的提升。液體層的潤滑性從何而來這個問題就此得到了解決。

　　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。也許需要另一個像將音叉與顯微鏡結(jié)合這樣的創(chuàng)意，制作出新的研究儀器，才能再向終答案邁出一步。

　　(參考資料來源：科學(xué)世界、科技日報)

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