正在進行中的北京冬奧會讓世界人民大飽眼福。短道速滑緊張刺激，運動員在彎道超越時的身姿可謂風馳電掣；花樣滑冰高貴優雅，運動員在冰面起舞，“翩若驚鴻，婉若游龍”……
這一切的基礎都離不開光滑的冰面。然而，冰為什麼那麼滑？
這個看起來再普通不過的現象，卻困擾了科學家多年。
根據人們的生活經驗，讓物體變滑，油、蠟、水等潤滑劑是最佳利器。它可以降低物體間的摩擦。而冰面之所以能夠那麼滑，正是因為有水作為天然潤滑劑。當我們進行冰上活動時，實際上是站在冰最上面一層具有流動性的水膜上。
可是，這層水膜是從哪裡來的？
19世紀50年代，科學家詹姆斯·湯普森提出，如果給冰施加壓力，冰的熔點就會降低。也就是說，“冰在壓力下會融化”。愛爾蘭物理學家約翰·喬利將這個規律與滑冰聯絡起來，認為當人站在冰面上時，身體對冰面產生的壓強會使冰的熔點低於0℃，讓冰的表面融化，形成一層具有潤滑作用的水膜，使冰面變滑。如果穿上有薄薄冰刀的滑冰鞋，那麼施加在冰上的壓強會更大，冰的熔點就會下降得更多，從而使得穿著冰鞋的運動員可以在冰面上肆意滑行。
然而，這個假說也有站不住腳的地方。
據計算，穿著冰鞋的成年人會給冰表面施加超過標準大氣壓400多倍的壓強，能使冰的熔點降到-3.5℃。可是，在冬奧會比賽中，短道速滑、速度滑冰等專案的冰面溫度甚至低於-5℃，單純依靠壓強並不會使冰面融化。更不用說東北地區戶外氣溫甚至可以達到零下幾十攝氏度。依據這個假說，東北的冰面應該難以融化形成水膜，也就很難在上面滑行了。
可事實並非如此。
1939年，來自英國劍橋大學的兩位科學家弗蘭克·鮑登和T·P·休斯提出，冰表面的水膜是因為摩擦生熱導致冰融化的結果。他們認為，滑冰時冰刀與冰面的快速摩擦產生的熱量可能是冰面融化形成水膜的主要原因。
可惜，後來人們證明，摩擦產生的水膜厚度明顯小於冰面本身較為粗糙部分的厚度。這說明摩擦產生的水膜甚至不能填滿冰層表面的“小水坑”，也就無法提供有效潤滑作用。同時，摩擦生熱產生水膜的說法也無法解釋很多人在冰面上沒有劇烈運動產生摩擦仍然因為冰面很滑而摔倒的現象。
隨後，新的假說出現了：冰的表面會不會本身就存在一層水膜？
1987年，科學家透過X射線成像技術發現，冰面上應該存在一層非常薄的水分子層，厚度約在100奈米量級。這一發現證實了冰的表面確實存在著一層準液體。
當水結冰時，每一個水分子都會透過氫鍵抓住其周圍的水分子，形成晶體結構。但是表層的水分子周圍缺少其他水分子，因此沒有辦法形成如冰塊內部那般規則的結構，只能雜亂無序地“遊蕩”在冰表面。一些研究團隊甚至模擬出了水分子是如何在冰表面“遊蕩”的。
一項發表於《自然》雜誌的研究顯示，科學家透過設計一種可以“聽”的測力儀，能夠測量這層準液體的力學特性，並從微觀角度探討冰為什麼滑。這套測力儀由類似音叉的裝置和毫米大小的玻璃珠構成。在實驗中，玻璃珠會像一個小冰刀一樣，以幾十微米的距離尺度在同一區域的冰面上滑行。用來振動的音叉上附有一個加速器，可以測量玻璃珠的振盪振幅，從而計算出玻璃珠和冰之間的摩擦係數。
最終，科學家發現這層準液體並非簡單的水，而是水和微小碎冰的混合物。它像油一樣黏稠，具有黏彈性。科學家認為，這正是冰為什麼滑的秘密源頭。
當然，冰上競技運動中，冰刀的存在也讓運動員如虎添翼。我國科學家發現，水膜中的微小碎冰充當了軸承滾珠的角色。當運動員腳踏冰刀飛速滑過時，冰刀產生的壓強作用使得這些微小碎冰像珠子一樣被捏爆，釋放出來的液態水增加了原本的水膜厚度，使冰變得更加滑。
（實習記者 孫 瑜 資料來源：新華網、中科院物理所公眾號、《科學世界》雜誌等）
來源： 科技日報
