摘要：科学界的共识是，生命起源于水。而对我们来说幸运的是，水在冻结时与大多数物质的表现不同。通常情况下，物质在凝固时密度会增加，但水在结冰时却变得不那么密实。这是因为在液态水中，氢键是动态的——分子之间的氢键可以断裂并重新形成。然而，当水结冰时，氢键被锁定在六边形结

无论冰在日常生活中的影响如何，冰本身确实是一种令人惊叹的物质。科学家普遍认为，如果冰不具备其独特的热学特性，地球上的生命就无法存在。

科学界的共识是，生命起源于水。而对我们来说幸运的是，水在冻结时与大多数物质的表现不同。通常情况下，物质在凝固时密度会增加，但水在结冰时却变得不那么密实。这是因为在液态水中，氢键是动态的——分子之间的氢键可以断裂并重新形成。然而，当水结冰时，氢键被锁定在六边形结构中。这种晶体结构将分子之间的距离最大化，从而在分子之间产生额外的空间，使水的体积增加9%至10%，密度因此降低。

正因如此，当湖面开始结冰时，冰不会沉到湖底。如果冰沉底，整个湖泊都会冻成固体。然而，实际情况是，冰层在水面上形成了一层隔热层，有效地保护了水下的生物免受极寒气温的影响。

除了让生命得以繁衍生息之外，冰还帮助地球维持宜居的环境。由于冰具有高反照率，它能有效地反射阳光。在温室气体排放失控之前，这种反射作用有助于保持极地地区的凉爽，并调节全球气温。此外，冰在融化时会吸收热量，在重新结冰时释放热量，从而缓解大气温度的变化。

传统观点

关于“为什么冰如此滑”的问题，自19世纪中期以来一直是一个热门的科学辩题。众多著名科学家，如迈克尔·法拉第、詹姆斯·汤普森及其兄长开尔文勋爵，以及约翰·廷德尔等人，都试图为这一现象提供严格的科学解释。

1859年，法拉第提出了一个开创性的观点：即使在冰点以下的低温环境中，冰的表面依然存在一层薄薄的水膜，这层水膜正是导致冰极度低摩擦的原因。他的理论认为，这层水膜类似于一层微小的滚珠轴承，可以自由滑动，从而使冰变得异常滑溜。如果这一观点成立，那么下一个要解答的问题就是——在冰点以下的温度中，这层水膜究竟是如何存在的呢？

两种主要理论

最早的理论之一由汤普森在1850年提出，他观察到水的冻结温度会随着压力的变化而改变。具体而言，更大的压力会导致冰融化。他的研究催生了我们今天熟知的水的相图。即使是下面这种简化版的相图，也足以让我们感受到温度与压力的复杂交互作用，它们共同决定了水的物理状态。

1886年，爱尔兰物理学家约翰·乔利提出了一种理论：冰刀的细刃将滑冰者的重量集中在一个极小的区域内，从而产生足够的压力使冰在其下方融化。

从那时起，这一理论便被当作“常识”广泛传播。然而，实际上，这种压力所引起的冰点降低微乎其微，仅为摄氏几百分之一度。

这个解释的问题在于，较轻的物体（例如滑雪板或冰球）拥有更大的接触面积，按理说不应该滑动，但它们显然也会滑动。

第二种理论：摩擦而非压力导致冰的融化

第二种解释认为，是摩擦而非压力导致了法拉第假设中的那层薄水膜的形成。直到1939年，弗兰克·鲍登和T.P.休斯才开始对这个问题进行深入研究，并尝试计算滑雪板在雪面上所施加的实际压力。他们发现，这种压力不足以解释在低温环境下滑雪的能力。

通过一系列精密实验，他们进一步确认：摩擦生热确实可以在冰面上形成一层润滑水膜。

然而，这个解释存在一个显而易见的问题——我们都知道，人不需要移动也可能在冰上滑倒。换句话说，冰的滑溜特性并不需要借助摩擦来实现，即使在零下温度下也是如此。

真正的原因是什么？

作为史上最伟大的实验科学家之一，法拉第的观点确实有些道理。然而，事实远比“薄水膜”这一简单解释要复杂得多。

从20世纪60年代开始，科学家通过核磁共振、质子反散射和X射线衍射等先进成像技术，逐渐揭示了冰表面的神秘性质。然而，由于不同实验的温度和压力条件差异很大，要协调这些研究结果变得异常困难。

我们日常生活中遇到的大多数冰都呈现出一种六边形结构，被称为“冰-1h”。这一分子结构在宏观上表现为雪花的六边对称性。

事实上，科学家已知大约20种不同的冰晶结构或“相态”，其中大多数只在极端温度和压力的实验室条件下存在。除了“冰-1h”之外，唯一自然存在于地球大气中的冰晶结构是冰-1c，一种立方体结构，通常在高海拔和低于-80°C的条件下形成宏观结构。

2024年的研究突破

2024年，洪嘉妮（Jiani Hong）等科学家通过原子力显微镜（AFM）在约-150°C的超低温环境下，精确探测了冰的表面特性。原子力显微镜利用一个纳米级尖端的探针，通过激光反射和反馈系统，绘制出表面的详细拓扑图像。

如前所述，冰-1h形成时，水分子之间的键被锁定在六边形晶格中。但研究发现，这种锁定只在晶格内部真正生效。在冰的表面，由于缺乏更多水分子与之结合，表面的分子比内部的分子有更大的自由度。

研究进一步发现，在冰的表面，冰-1c的区域往往无法与六边形结构的邻近分子完美结合。对于冰-1h，氧原子通常朝外。然而，在冰-1h和冰-1c之间的过渡区域，分子有时会将氢原子朝外，形成“悬挂”分子，这些分子较不稳定，能在结构中不断地附着、分离、重新附着。

研究人员还发现，随着温度上升（从-150°C开始），更多的冰-1c区域变得活跃。

这些发现与2018年巴特·韦伯等人的研究一致。他们研究了冰表面摩擦系数随温度变化的规律，发现：

这一准液体的形成被称为“预融化”现象。当温度达到**-7°C时，这种预融化效果达到最大，冰的摩擦系数降至最低。这正是速度滑冰运动员**认为最适宜比赛的温度！

冰的核心地位

冰是一种核心物质。它对生命的起源、延续以及乐趣都至关重要。在不同文化中，冰作为生命的给予者与夺取者，出现在民间传说、神话和艺术作品中。

让我感到惊奇的是，尽管冰对人类影响深远，但它的第二大显著特性——滑溜性——却始终神秘莫测，让科学家们难以完全理解。我也欣赏科学探索的验证过程，从探险家到速度滑冰运动员，都见证了实验的准确性。尽管如此，科学界仍未完全解开冰的复杂奥秘。至少，经过174年的科学探究，我们现在对自然界这位“光滑操控者”有了更深的认识。

来源：老胡科学