冰面為什么滑？

最近幾天氣溫驟降，很多地方都結(jié)了厚厚的冰。那您有沒有想過，冰面為什么會(huì)這么滑呢？

您也許會(huì)覺得：這個(gè)問題太簡單了吧！但其實(shí)，這其中卻蘊(yùn)涵著非常復(fù)雜的化學(xué)原理——

為了搞清楚這個(gè)問題，科學(xué)家們不得不從頭開始，從最基本的物理、化學(xué)性質(zhì)開始重新認(rèn)識(shí)研究的對象——冰。冰，到底是種怎樣的物質(zhì)呢？

絕大部分人都知道答案，冰是固態(tài)的水。正是這個(gè)凝固的過程讓冰成為了一種特殊的物質(zhì)。對于宇宙中絕大部分物質(zhì)而言，固體比液體的密度更高。當(dāng)物質(zhì)被冷卻凝結(jié)時(shí)，其內(nèi)部的分子排列會(huì)變得更加緊密。但是冰卻正好相反，當(dāng)水的溫度降低至0℃時(shí)，氫鍵按四面體鏈接方式將眾多的H2O分子連接成龐大的分子晶體，具體可參見下面這張圖，→_→右邊的就是冰分子，排列有序，空間舒展！

因此，冰的密度通常比水更小，所以冷飲里的冰塊才會(huì)浮在水面上。 分析完冰的特性，科學(xué)家們想出了“壓力融解說”“摩擦融解說”和“表面融化說”，來解釋冰面為什么那么滑？

還有一種猜想是冰面本來就有水！
2017年，Huib J. Bakker課題組利用Surface sum-frequency generation (SFG) spectroscopy技術(shù)觀測到冰表面存在一層“準(zhǔn)液體”。

冰表面液態(tài)水層示意圖。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

原來，當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，每一個(gè)水分子都會(huì)通過氫鍵抓住其周圍的水分子，形成晶體結(jié)構(gòu)，就像圖中紅色的結(jié)構(gòu)一樣。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(nèi)部那般規(guī)則的結(jié)構(gòu)，只能雜亂無序地游蕩在表面。形成一層過冷液體“水膜”。從零度到零下二十多度，這層“水膜”一直存在。

早在1987，科學(xué)家就已經(jīng)用X射線成像證實(shí)了冰面上的確存在一層“準(zhǔn)液體”水。它非常非常薄，在-1 ℃時(shí)其厚度介于1~94 nm之間。

隨后進(jìn)行的分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究表明大部分的冰中的每個(gè)水分子與四個(gè)水分子形成氫鍵，而在冰表面的“準(zhǔn)液體”層中的每個(gè)分子與兩到三個(gè)水分子以氫鍵結(jié)合。當(dāng)溫度高于-70 ℃時(shí)，只有兩個(gè)氫鍵的分子比例開始增加，與下層冰連接的氫鍵斷裂，使得冰表面產(chǎn)生了很多具有流動(dòng)性的“水分子”，實(shí)際上也可以稱作“可移動(dòng)的冰”。這就像地面上鋪了一層滾動(dòng)的圓木，冰面也因此變得非常光滑。

現(xiàn)在終于明白了吧，冰面為什么滑？什么時(shí)候最滑？這都是需要用分子動(dòng)力學(xué)來解釋的化學(xué)問題。

該工作發(fā)表在Angew 上，并作為封面文章報(bào)道。

當(dāng)期雜志封面。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.#### 來源 | 生活中的化學(xué)