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雅滑行，還是在結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?？茖W家們普遍認為，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、摩擦和表面預熔（premelting，即在溫度低于熔點時固體表面形成一層準液態膜）。去年，德國科學家Achraf Atila等人在《Physical Review Letters》發表研究，提出了第四種解釋，非晶化（amorphization），他們認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世紀中期，英國工程師James Thomson提出：當人站在冰上時，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系。

然而20世紀30年代，劍橋大學物理化學實驗室的Frank P. Bowden和T.P. Hughes對壓力假說提出質疑。他們通過計算發現，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，他們用一套復雜的裝置測量了冰與不同材料之間的摩擦力。結果顯示，與導熱性弱的材料（如硬橡膠）相比，導熱性強的材料（如黃銅）摩擦力更大。由此他們得出結論：當冰面與易吸收熱量的材料摩擦時，可用于融化冰的熱量減少，冰面因此變得沒那么滑。實驗結果支持他們的理論，即摩擦引起的融化使冰面變滑。

盡管摩擦假說仍出現在教科書中，許多科學家并不認同這一解釋。阿姆斯特丹大學的物理學家Daniel Bonn認為：“這一理論的問題在于，你只能融化身后已經滑過的冰面，卻無法融化正在滑行的冰面?！?/strong>或許，在人踩上去的那一刻，在可能產生摩擦生熱的動作發生之前，冰面就已經變滑了。

▲阿姆斯特丹大學Daniel Bonn團隊設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，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。摩擦產生的熱量應隨速度增加，但實驗結果顯示，冰面的滑度與速度無關，這表明摩擦生熱并非冰面變滑的原因。

假說3: 表面預熔

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，英國科學家Michael Faraday發現，兩塊冰接觸時會凍在一起（即復冰現象），甚至連溫熱的手也會粘在冰上。他推測，這是因為冰面存在薄薄的預熔層，當被覆蓋時，這層水膜會再次凍結。當時Faraday并不能解釋預熔層為何存在，直到一個世紀后Charles Gurney和Woldemar Weyl等科學家才提出了“表面預熔”的可能機制。

他們推測，靠近冰面的分子與冰內部的分子表現不同。冰是一種晶體，內部的水分子通過氫鍵聯結，形成周期性有序排列的穩定晶格。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，科學家們普遍認同預熔層的存在，至少在接近熔點的情況下，但關于它在冰面變滑中的作用，仍存在分歧。

▲教科書中關于冰面為什么會滑的解釋，與20世紀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。不過如今，許多科學家并不認同這一解釋。來源：Nathaniel Noir

幾年前，馬德里康普頓斯大學的物理學家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部那樣周期性排列，還是像在液體中那樣呈無序狀態。

他們發現，模擬的冰表面確實存在僅有幾分子厚的類液體膜，這與表面預熔理論的預測一致。當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。結果顯示，在溫度接近冰的熔點時，預熔層已足夠厚，摩擦生熱的影響微乎其微；而在較低溫度下，物體滑過冰面時產生的熱量會融化冰層，增加預熔層的厚度。

Luis MacDowell 總結道：“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，德國薩爾大學的一個研究團隊對三種主流理論提出了質疑。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，當滑雪板以正常速度滑行時，摩擦產生的熱量并不足以讓冰融化。最后，他們發現在極低溫度下，即使沒有預熔層，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部分子的強鍵合。）該團隊的材料學家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果，也可能還有我們尚未發現的其他原因”。

▲德國薩爾大學的材料學家們通過計算機模擬發現，當兩塊冰相互滑動時，接觸面的非晶化層會逐漸變厚。來源：Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025)

科學家們在其他物質（如鉆石）的研究中找到了另一種解釋。寶石拋光師根據經驗知道，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表論文解釋了這一現象。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。在滑動過程中，形成了無結構的“非晶化（amorphous）”層。與鉆石的晶體結構不同，非晶化層是無序的，它更像液體而非固體。這種非晶化效應取決于表面分子的排列方向，因此晶體的某些側面比其他面更軟。

Atila及其合作者認為，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，冰的結構也因此逐漸改變。

該團隊重復了模擬實驗，他們用與水相互吸引或相互排斥的材料替換了其中一側的冰面。結果顯示，冰表面的分子同樣因滑動而發生位移，尤其是當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，使表層分子發生位移。來源：Phys. Rev. Lett. 135, 066204 (2025)

計算機模擬結果表明，滑動過程中，原本有序的晶格結構被機械力打破，形成非晶化層，這一非晶化層隨著滑動而增厚。該研究團隊認為，正是這種結構上的非晶化，而非熱力學意義上的融化，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認同Achraf Atila及其合作者在論文中報告的結果，但他認為非晶化只會發生在高速滑動的情況下（原作者并不認同這一觀點，但模擬低速滑動需要極大的計算能力，目前很難實現）。

Daniel Bonn也支持非晶化這一解釋。他認為，這與他團隊2021年的實驗結果一致。這些實驗與Atila等人的模擬都表明，冰變滑與表面結構的改變有關，只是研究者們使用了不同的術語解釋這一變化。Atila認為這源于水分子的機械位移，而Bonn則更關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。就像在冰上很難保持直立一樣?！?/p>

Bonn認為，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一的術語，也許是解開這一謎題的主要障礙之一。相似的現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：

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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/

編譯：WW

審校：myles h