摘要：物理学的一个基本认知正在发生根本性转变。萨尔大学研究团队通过精密的计算机模拟发现，冰面之所以滑溜并非因为压力或摩擦导致的表面融化，而是源于分子层面的偶极相互作用。这一发现彻底推翻了詹姆斯·汤普森在近两百年前提出的经典理论，重新定义了人们对冰面摩擦机制的理解。

信息来源：https://scitechdaily.com/why-is-ice-slippery-new-study-overturns-200-year-old-physics-theory/

物理学的一个基本认知正在发生根本性转变。萨尔大学研究团队通过精密的计算机模拟发现，冰面之所以滑溜并非因为压力或摩擦导致的表面融化，而是源于分子层面的偶极相互作用。这一发现彻底推翻了詹姆斯·汤普森在近两百年前提出的经典理论，重新定义了人们对冰面摩擦机制的理解。

传统理论认为，当人踏上冰面时，身体重量产生的压力和鞋底与冰面之间的摩擦会使冰的表面层融化，形成一层薄薄的液体膜，从而导致滑溜现象。这一解释被写入无数教科书，成为解释冬季滑倒事故的标准答案。然而，马丁·穆瑟教授及其同事阿赫拉夫·阿蒂拉和谢尔盖·苏霍姆利诺夫的最新研究表明，真正的机制要复杂得多，也更加精妙。

使冰变得滑溜的并非压力或摩擦力，而是分子层面的隐藏力。新发现表明，偶极相互作用会以意想不到的方式破坏冰的结构。图片来源：Shutterstock

研究团队通过详细的分子动力学模拟揭示了冰面滑溜的真实原因：当外部物体接触冰面时，物体表面的分子偶极子与冰晶体中水分子的偶极子发生相互作用，这种相互作用破坏了冰的有序晶体结构，在接触界面形成无序的液态层。这一发现不仅改写了摩擦物理学的基本理解，也为材料科学和工程应用提供了全新的理论基础。

偶极相互作用的微观机制

要理解这一突破性发现的意义，首先需要了解水分子的基本结构特性。水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，氧原子吸引电子的能力更强，使得分子呈现不对称的电荷分布：氧原子一侧带部分负电荷，氢原子一侧带部分正电荷。这种电荷分离产生了分子偶极子，赋予水分子明确的极性方向。

在零摄氏度以下，水分子会排列成高度有序的六边形晶格结构，形成我们熟悉的冰。在这种晶体中，每个水分子都通过氢键与相邻分子连接，所有分子的偶极矩都按照特定方向整齐排列，形成稳定而坚固的三维网络结构。

当外部物体接触冰面时，关键的变化发生在分子层面。物体表面材料的分子同样具有偶极矩，这些偶极子的方向往往与冰晶体中水分子偶极子的方向不同。在接触界面处，两种不同的偶极子场发生相互作用，产生了竞争性的力场。

穆瑟教授解释说："在三维空间中，这些偶极子-偶极子相互作用变得'受挫'。"这里的"受挫"是物理学中的专业术语，指的是当多种竞争力量同时作用时，系统无法找到一个能够同时满足所有约束条件的稳定配置。在冰面接触的情况下，冰晶体中原本有序的偶极排列与外界偶极场发生冲突，导致界面处的水分子失去有序排列，转变为无序的液态。

这种转变过程具有层次性特征。最初，只有直接接触界面的几个分子层受到影响，但偶极相互作用的长程性质使得这种无序状态逐渐向冰的内部传播，最终形成厚度约为几纳米的液态薄膜。正是这层极薄的液体膜提供了润滑作用，使得冰面变得滑溜。

极端条件下的新发现

图示展示了当其他物体（例如滑雪板、冰鞋或鞋底）与冰面接触时，水分子原本有序的晶体结构突然被破坏。图片来源：AG Mueser

这项研究最令人惊讶的发现之一是，偶极相互作用在极端低温条件下仍然有效。传统理论认为，在零下40摄氏度以下，温度过低无法维持液态薄膜的存在，因此在这样的温度下滑雪应该是不可能的。然而,新的理论表明这种观点是错误的。

穆瑟教授指出："偶极相互作用在极低温度下依然存在。值得注意的是，即使在接近绝对零度的情况下，冰和滑雪板的界面上仍然会形成一层液膜。"这一发现彻底改变了人们对极地环境中冰面行为的理解，对于极地科学研究和极端环境工程应用具有重要意义。

不过，在如此极低的温度下，液体薄膜的性质发生了显著变化。虽然在分子层面上仍然保持液态特征，但其黏度会急剧增加，甚至超过蜂蜜的黏度。在这种情况下，液体薄膜虽然存在，但其润滑效果大大降低，实际滑雪变得几乎不可能。这解释了为什么极地探险者在极低温度下行走时仍能保持相对稳定的步伐。

这一发现也为理解其他天体表面的冰层行为提供了新的视角。在木星的卫星欧罗巴或土星的卫星恩克拉多斯等天体上，表面温度远低于地球上的任何自然环境，传统理论无法解释这些天体表面可能存在的滑动现象。偶极相互作用理论为研究这些极端环境中的表面物理提供了新的理论工具。

工程应用的深远影响

这一理论突破对多个工程领域都具有重要的实际意义。在冰雪运动装备设计方面，了解偶极相互作用机制使得工程师能够更精确地优化滑雪板、冰刀等装备的表面特性。通过调节材料的偶极特性，可以在特定温度范围内实现最佳的滑行性能。

航空工业同样从中受益。飞机在高海拔飞行时经常遇到结冰问题，传统的除冰技术主要依赖加热或机械去除。基于偶极相互作用的新理解，工程师可能开发出新型的表面处理技术，通过调节材料表面的偶极特性来降低冰层附着力，实现更高效的防冰效果。

在建筑工程领域，这一发现为解决冬季路面结冰问题提供了新思路。传统的防滑措施主要依赖撒盐融雪或增加路面粗糙度，而基于偶极相互作用的新理解可能促进开发出新型路面材料，通过分子层面的设计来减少冰面的滑溜程度。

制冷和冷冻技术也可能受到影响。在食品冷冻、医药储存等应用中,理解冰晶体与容器表面之间的偶极相互作用有助于优化存储条件，减少因温度波动导致的冰晶重排和产品质量变化。

科学方法的胜利

这项研究的成功很大程度上归功于现代计算机模拟技术的进步。研究团队利用高性能计算资源进行了大规模的分子动力学模拟,能够跟踪数百万个分子在皮秒至纳秒时间尺度内的运动。这种计算能力使得科学家能够观察到传统实验方法难以捕捉的微观过程。

分子动力学模拟的关键优势在于能够同时考虑多种相互作用力的复杂耦合效应。在冰面摩擦的研究中，需要同时考虑分子间的范德瓦尔斯力、氢键相互作用、偶极相互作用以及热运动等多种因素。只有通过精密的计算模拟，才能揭示在这些复杂相互作用共同作用下产生的宏观现象。

这项研究也体现了理论物理与应用科学相结合的重要性。虽然偶极相互作用的基本理论早已建立，但将其应用于解释具体的摩擦现象需要深入的理论分析和精确的数值计算。研究团队的成功在于将微观的分子相互作用与宏观的摩擦现象建立了定量的联系。

对于广大公众而言，虽然这一发现不会立即改变冬季出行的注意事项，但它代表了人类对自然现象理解的重要进步。正如研究团队所指出的，对于在冰面上滑倒的人来说，究竟是压力、摩擦力还是偶极子造成的意外几乎没有差别，但对于物理学的发展而言，这种区别却是根本性的。

这项研究的发表标志着摩擦物理学领域的一个重要里程碑，预示着未来在材料科学、表面工程和极端环境应用等领域将出现更多基于偶极相互作用机制的创新技术。

来源：人工智能学家