现在终于证明：冰为什么这么光滑了！常见的现象，证明起来却很难

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冰的滑溜是一种日常生活中常见现象，令人惊讶的是，尽管有很长的科学历史，这种现象依旧存在争议。在冰上测量到非常小的摩擦是由于滑块和冰之间存在一层很薄的自润滑融水膜。但是，虽然对冰和雪的宏观摩擦行为进行了广泛的研究，但对界面水膜及其力学性能的研究却很少。在本研究中，科学家们开发了一种冲击探针力测量技术，以揭示冰润滑的微观机制。同时测量了冰珠的剪切摩擦，量化了在不同速度和温度下界面膜的原位力学性能和厚度。

与标准观点相反，发现融水表现出复杂的粘弹性流变学，其粘度比原始水大2个数量级。融水的非常规流变学为冰的“光滑”提供了一个新的、一致的理论基础。此外，由于局部粘度的惊人变化，疏水性涂层的摩擦大大减少，这为冬季运动中的打蜡效应提供了一个意外的解释。除了冰的摩擦之外，研究结果还为自修复润滑油实现超低摩擦提供了新途径。所以冰为什么这么光滑的答案在于摩擦产生了一层水膜。

这种水膜比预期的薄得多，粘性也比通常的水大得多，因为它类似于我们在夏天喝的碎冰“雪锥”。CNRS和ENS-PSL的研究人员在cole Polytechnology的支持下，在2019年11月4日发表在《物理评论X》上的一项研究中证明了这一现象。冰的“光滑”性质通常归因于由摩擦产生的一层薄薄的液态水形成，例如能滑冰运动员在这个液膜上“冲浪”。这层薄薄水的性质以前从未被测量过：它的厚度在很大程度上依旧是未知的。而它的性质，甚至它的存在，都是争论的主题。

更重要的是，由于液态水是已知不好的润滑剂，这种液膜怎么能减少摩擦并使冰变得光滑呢？为了解决这一悖论，来自体格实验室(CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Universitéde Paris)的研究人员与水力动力实验室(LadHyX，CNRS/cole Polytechnology)的一个团队合作，开发了一种配备有音叉的设备（类似于音乐中使用的音叉）可以在滑冰过程中以惊人的精确度“听到”其中的力。

尽管仪器的尺寸只有几厘米，但它足够敏感，可以在纳米尺度上探测冰并分析摩擦特性。多亏了这些独特的装置，科学家们第一次能够清楚地证明摩擦确实会产生液态水薄膜。尽管如此，同时还提供了许多惊喜：厚度只有几百纳米到一微米（头发的百分之一），它比理论估计的要薄得多。更令人意想不到的是，这一薄膜根本不是“简单的水”，而是由与油一样粘稠的水组成，具有复杂的粘弹性特性。这种意想不到的行为表明，表面冰并没有完全转化为液态水。

而是最终以类似于“雪锥”的混合状态结束，即冰水和碎冰的混合。因此，在冰上滑动的奥秘可以在这种水膜“粘性”性质中找到。这些结果表明，需要对已提出用于描述冰上摩擦的理论描述进行彻底检修。融水的不同寻常性质是一个关键因素，直到现在还没有被考虑到。这将有助于更好地理解冰滑行现象，例如在冬季运动中，也将有助于提出增加摩擦力的创新解决方案，以避免在结冰的道路上打滑。
博科园｜研究/来自：CNRS
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