文 | 钱钱

编辑 | 阿景

冬天走在结冰的路上，稍不注意就可能摔个屁股墩儿。

冰面为啥这么滑？这问题看起来简单，科学家却研究了快200年。

今天咱们就聊聊，从19世纪的冰块实验到现在的原子级观测，这群“追冰人”到底发现了啥。

从法拉第的冰块实验到实验室里的金属球，冰面滑溜的百年探索

1842年，有个叫迈克尔·法拉第的科学家，闲着没事玩冰块。

他把两块冰使劲压一起，嘿，居然粘成了一块。

他琢磨着，冰块表面肯定有层看不见的液体，不然咋能粘住？但这液体哪儿来的？当时谁也说不清楚。

这谜题一放就是一百多年。

后来有个叫丹尼尔·博恩的物理学家，对滑冰特别感兴趣。

他想，冰刀在冰上滑得那么快，到底是啥原理？于是带着团队造了个“冰宫”，弄了个微型滑冰场，用金属球模拟冰刀刀刃旋转，测推动球要多少力，冰面受力多大。

2018年，博恩团队终于有了发现。

他们测了冰在零下100℃到0℃的摩擦系数，发现温度不同，冰面“滑溜度”完全不一样。

零下100℃时摩擦最大，冰硬邦邦的根本滑不动，温度升到零下70℃，摩擦开始降低，到零下7℃，摩擦最小巧了，这正是短道速滑赛场的标准冰温。

他们用电脑模拟水分子运动，发现冰面上的水分子分两种，一种老老实实待着，一种却能自由流动。

温度越高，流动的水分子越多，冰面就越滑。

说白了，滑冰时咱们其实是站在一层“流动水分子垫”上，难怪能嗖嗖往前冲。

这解释挺合理，但问题又来了，这层流动水分子，到底多早就开始出现了？

零下153℃就化了？中国科学家揭开冰面预融化的原子级秘密

这问题，中国科学院的江颖团队接了过来。

有年冬天，江颖在未名湖畔溜达，看到湖面刚结冰时，冰面又像水又像冰，他突然想到，法拉第说的“表面液体层”，会不会在温度很低的时候就有了？

要搞清楚这个，得看清楚冰表面的水分子长啥样。

江颖团队搞了十几年扫描探针显微镜，还发明了用一氧化碳分子修饰针尖的技术，能把绝缘体表面的原子看得清清楚楚冰这种不导电的东西，终于能被“拍特写”了。

他们用原子力显微镜观察六方冰的表面，居然看到两种堆叠方式，一种是常见的六方结构，另一种竟是高压环境下才有的立方结构。

更让人意外的是，当温度降到零下153℃时，冰表面的水分子已经开始“不老实”了它们不像内部的分子那样排得整整齐齐，而是有点“融化”的迹象。

这发现直接颠覆了之前的认知。

以前科学家以为冰要到零下70℃左右才开始预融化，现在看来，地球上所有冰，哪怕南极的万年冰川，表面都裹着一层液态水。

2023年5月，这研究发在了《自然》杂志上，全球科学家都炸了锅，原来我们踩的冰，早就是“水汪汪”的了。

冰面下还藏着“无定形冰层”？2024研究让融化过程更复杂

江颖团队没停下脚步。

12月，他们把人工智能和原子力显微镜结合起来，又有了新发现，冰表面融化不是“咔嚓”一下从固态变液态，中间还隔着个“无定形冰层”阶段。

简单说，在零下152℃到零下93℃之间，冰表面的分子还是固态，但排列已经乱了套，不再是整整齐齐的晶体结构。

随着温度升高，这层“乱糟糟”的无定形冰会慢慢变成真正的液态水。

这就好比冰面融化前，先经历了一段“混沌期”。

这发现可不是实验室里的空想。

对咱们普通人来说，冬天滑冰、滑雪，冰场工作人员总说“冰温很重要”，现在终于知道为啥了零下7℃的冰面，流动水分子最多，摩擦力最小，滑起来最顺畅。

以后优化冰场条件，就能更有方向了。

从更大的角度看，冰川运动、海平面变化都和冰表面的预融化有关。

冰川之所以能慢慢移动，就是因为底部和地面接触的地方有液态水润滑。

搞清楚冰表面的变化规律，科学家就能更准确地预测冰川融化速度，对气候变化研究太重要了。

从法拉第捏冰块，到博恩测摩擦系数，再到江颖团队用原子显微镜“看”水分子，一百多年过去了，冰为什么滑这个问题，总算有了比较清晰的答案。

但科学探索就像在冰面上走路，刚站稳又可能滑倒。

无定形冰层的特性、流动水分子的具体运动规律，还有很多谜题等着解开。

或许未来某天，我们能完全掌控冰面的滑溜程度，冬天走路不摔跤，运动员能滑得更快。

但现在，不妨先对脚下的冰多一份好奇毕竟，这看似普通的现象背后，藏着科学家们几代人的心血和智慧。

走在冰封的道路上，每一步探索，都是在靠近真相。