为什么冰面是滑的？未必是因为它“化”成了水

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▲固体通常没有这般光滑的表面。来源：Marcus Lindstrom

无论是在溜冰场上优雅滑行，还是在结冰的人行道上不慎摔倒，这都与冰面上覆盖着的一层极薄水膜有关。科学家们普遍认为，正是这层具有润滑作用的类液体膜让冰面变滑，但对于它如何形成，仍存在不同看法。


围绕这一问题的讨论由来已久，主要有三种解释：压力、摩擦和表面预熔（premelting，即在温度低于熔点时固体表面形成一层准液态膜）。去年，德国科学家Achraf Atila等人在《Physical Review Letters》发表研究，提出了第四种解释，非晶化（amorphization），他们认为这一假说解开了冰面为何会滑的谜题。


但事实果真如此吗？我们似乎离答案更近了一步，却仍未达成共识。冰面到底为什么是滑的？我们找到了目前已有的各种假说，但真相依然悬而未决。


假说1: 压力


19世纪中期，英国工程师James Thomson提出：当人站在冰上时，施加的压力会使冰面融化，从而变滑。通常情况下，冰在温度上升到0摄氏度（32华氏度）时才会融化。但压强可以降低冰的熔点，使冰面在较低温度下也可能形成水膜。James Thomson的弟弟William Thomson，也就是著名的Lord Kelvin，通过实验证实了压强与熔点之间的关系。


然而20世纪30年代，剑桥大学物理化学实验室的Frank P. Bowden和T.P. Hughes对压力假说提出质疑。他们通过计算发现，一般情况下滑雪者施加的压强很小，并不能显著降低冰的熔点。若要通过压强让冰融化，滑雪者的体重需要达到数千公斤。


假说2: 摩擦


Bowden和Hughes提出了另外一种解释：物体在冰面滑动时，摩擦产生的热量会使冰面融化，从而形成水膜。


在瑞士阿尔卑斯山的人造冰洞中，他们用一套复杂的装置测量了冰与不同材料之间的摩擦力。结果显示，与导热性弱的材料（如硬橡胶）相比，导热性强的材料（如黄铜）摩擦力更大。由此他们得出结论：当冰面与易吸收热量的材料摩擦时，可用于融化冰的热量减少，冰面因此变得没那么滑。实验结果支持他们的理论，即摩擦引起的融化使冰面变滑。


尽管摩擦假说仍出现在教科书中，许多科学家并不认同这一解释。阿姆斯特丹大学的物理学家Daniel Bonn认为：“这一理论的问题在于，你只能融化身后已经滑过的冰面，却无法融化正在滑行的冰面。”或许，在人踩上去的那一刻，在可能产生摩擦生热的动作发生之前，冰面就已经变滑了。

▲阿姆斯特丹大学Daniel Bonn团队设计了一个微观溜冰场，用于探究冰面为什么会滑。来源：Daniel Bonn

为了测试摩擦假说，Bonn团队设计制作了一个微观溜冰场，他们用金属模拟冰刀，让它以不同的速度旋转，并测量每次移动金属所需要的力，以及金属施加给冰面的力。两种力的比值反映冰面的滑度。摩擦产生的热量应随速度增加，但实验结果显示，冰面的滑度与速度无关，这表明摩擦生热并非冰面变滑的原因。


假说3: 表面预熔


除了以上两种假说，还有另外一种可能：冰面在物体接触之前，本身就是湿的。


1842年，英国科学家Michael Faraday发现，两块冰接触时会冻在一起（即复冰现象），甚至连温热的手也会粘在冰上。他推测，这是因为冰面存在薄薄的预熔层，当被覆盖时，这层水膜会再次冻结。当时Faraday并不能解释预熔层为何存在，直到一个世纪后Charles Gurney和Woldemar Weyl等科学家才提出了“表面预熔”的可能机制。


他们推测，靠近冰面的分子与冰内部的分子表现不同。冰是一种晶体，内部的水分子通过氢键联结，形成周期性有序排列的稳定晶格。但在冰的表面，水分子缺少邻近分子与之充分键合，因此束缚较弱，自由度更高。在所谓的预熔层中，分子很容易因滑冰鞋、滑雪板或鞋子而移动。


如今，科学家们普遍认同预熔层的存在，至少在接近熔点的情况下，但关于它在冰面变滑中的作用，仍存在分歧。

▲教科书中关于冰面为什么会滑的解释，与20世纪30年代在瑞士阿尔卑斯山少女峰冰宫进行的一系列实验有关。不过如今，许多科学家并不认同这一解释。来源：Nathaniel Noir


几年前，马德里康普顿斯大学的物理学家Luis MacDowell和他的合作者通过一系列的计算模拟，测试了压力、摩擦和表面预熔三种假说。他指出，“在计算机模拟中，可以观察原子运动”，这在真实实验里是无法做到的，“还可以观察原子周围的情况”，由此可以判断它们是像在固体内部那样周期性排列，还是像在液体中那样呈无序状态。


他们发现，模拟的冰表面确实存在仅有几分子厚的类液体膜，这与表面预熔理论的预测一致。当模拟重物滑过冰面时，类液体膜变厚，这支持了压力假说。最后，他们测试了摩擦生热假说。结果显示，在温度接近冰的熔点时，预熔层已足够厚，摩擦生热的影响微乎其微；而在较低温度下，物体滑过冰面时产生的热量会融化冰层，增加预熔层的厚度。


Luis MacDowell 总结道：“这三种看似对立的假说，某种程度上是同时起作用的。”


假说4: 非晶化


或许冰面融化并不是它变滑的主要原因。


近期，德国萨尔大学的一个研究团队对三种主流理论提出了质疑。首先，他们指出，若要压强高到足以融化冰面，滑雪板和冰的接触面积需要“小到不合理”。其次，实验表明，当滑雪板以正常速度滑行时，摩擦产生的热量并不足以让冰融化。最后，他们发现在极低温度下，即使没有预熔层，冰面依然是滑的。（在极低的温度下，冰表面的分子虽然同样缺少邻近分子，但没有足够的热能挣脱与内部分子的强键合。）该团队的材料学家Achraf Atila说，“因此，冰面变滑，可能是上述所有因素或者其中几种共同作用的结果，也可能还有我们尚未发现的其他原因”。

▲德国萨尔大学的材料学家们通过计算机模拟发现，当两块冰相互滑动时，接触面的非晶化层会逐渐变厚。来源：Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025)

科学家们在其他物质（如钻石）的研究中找到了另一种解释。宝石抛光师根据经验知道，钻石的某些面比其他面更容易抛光，或者说更“软”。2011年，另一德国研究团队发表论文解释了这一现象。他们模拟了两颗钻石相互滑动的情景：机械力将表面原子从原有键合中拉出，使它们能够运动，形成新的键合，如此往复。在滑动过程中，形成了无结构的“非晶化（amorphous）”层。与钻石的晶体结构不同，非晶化层是无序的，它更像液体而非固体。这种非晶化效应取决于表面分子的排列方向，因此晶体的某些侧面比其他面更软。


Atila及其合作者认为，冰中也存在类似机制。他们模拟冰面相互滑动，同时将模拟系统的温度保持在足够低的水平，确保冰不会融化。（这种情况下，冰变滑存在融化之外的其他解释。）模拟初期，两个冰面像磁铁一样互相吸引。这是因为水分子是偶极子，内部正负电荷分布不均，正负电荷中心不重合。一个分子的正极吸引另一个分子的负极。这种吸引力在接触面上形成了类似冷焊的微小连接。随着滑动的进行，原有的连接被打破，新的连接不断形成，冰的结构也因此逐渐改变。


该团队重复了模拟实验，他们用与水相互吸引或相互排斥的材料替换了其中一侧的冰面。结果显示，冰表面的分子同样因滑动而发生位移，尤其是当替代材料对冰有吸引力时。

▲在德国团队的另一模拟中，一个更接近真实情况的粗糙表面滑过冰面，使表层分子发生位移。来源：Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025)

计算机模拟结果表明，滑动过程中，原本有序的晶格结构被机械力打破，形成非晶化层，这一非晶化层随着滑动而增厚。该研究团队认为，正是这种结构上的非晶化，而非热力学意义上的融化，解释了冰面为什么是滑的，尤其是在低温条件下。


暂被搁置的共识


Luis MacDowell认同Achraf Atila及其合作者在论文中报告的结果，但他认为非晶化只会发生在高速滑动的情况下（原作者并不认同这一观点，但模拟低速滑动需要极大的计算能力，目前很难实现）。


Daniel Bonn也支持非晶化这一解释。他认为，这与他团队2021年的实验结果一致。这些实验与Atila等人的模拟都表明，冰变滑与表面结构的改变有关，只是研究者们使用了不同的术语解释这一变化。Atila认为这源于水分子的机械位移，而Bonn则更关注表面分子自身的流动性。Bonn把冰面比作铺满小球的地板：“因为小球极易滚动，在这样的房间里，很难站稳。就像在冰上很难保持直立一样。”


Bonn认为，两种理论在描述上的差异是“语义问题”，但Atila的合作者Sergey Sukhomlinov认为“虽然看起来相似，但这是不同的机制”。


冰面为什么滑？这一问题看似简单，却由来已久。我们无疑正越来越接近答案。研究者之间缺乏一套统一的术语，也许是解开这一谜题的主要障碍之一。相似的现象可能被赋予不同的名称，从而引出不同的假说。Bonn还指出“研究冰的学者们持有不同甚至对立的观点，但很少明确表达彼此之间的分歧”。


参考资料：
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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/


编译：WW
审校：myles h