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为什么冰是滑的？

这么一个司空见惯的现象，其实直到今天也没有定论。

在过去近200年里，主流解释认为冰的滑性源于摩擦或压力：滑冰鞋、靴子或轮胎会在冰面上产生压力或摩擦，从而融化出一层显微薄的水膜，形成润滑层。

源自压力，就是所谓的压力融化理论（Pressure Melting, 19世纪中期）。提出者是James Thomson（以及其弟 William Thomson，著名的开尔文勋爵）。

然而，在1930年代，剑桥大学物理化学实验室的 Frank P. Bowden和T.P. Hughes提出质疑。他们经过计算发现，普通滑冰者施加的压力太小，无法显著改变冰的熔点。要做到这一点，滑冰者必须达到数千公斤的体重。

同时Bowden和Hughes提出了一种替代性解释：水膜的形成是因为滑动时摩擦产生了热量。

尽管这一解释也被收入教科书中，但许多科学家对此持不同看法。问题是我们融化的是身后的冰面，而不是前方的冰面。我们刚一站到冰上，就会很滑，还没来得及摩擦融化冰。

动图一，阿姆斯特丹大学的Daniel Bonn团队创建了一个微型滑冰场，以研究冰为什么溜滑。

他们以不同速度旋转一块金属（代替冰鞋的刀片），每次测量移动所需的力量和金属对冰面施加的力量。这些力量的比例让他们判断了冰面的滑溜程度。科学家们发现，冰的滑溜度与速度无关，这表明摩擦加热——理应随着速度增加而增加——并不是让冰变得滑的原因。

1842年，英国科学家迈克尔·法拉第观察到，两块相触的冰块会冻结在一起，甚至温暖的手也会粘在冰上（舌头舔寒冷的铁棒）。他将此现象归因于冰表面上一层薄薄的预融层，覆盖后又会再次冻结。法拉第无法解释为什么会发生这种情况，其他科学家则花了近一个世纪——尤其是Charles Gurney和Woldemar Weyl ——提出“表面预融理论（Premelting, 1842起）。

他们认为冰表面天然存在一层准液态薄膜，即使在低温下也有分子更自由。直觉中，靠近冰表的分子行为与冰深处的分子不同。冰是晶体，这意味着每个水分子都被锁定在一个周期性晶格中。然而，在表面，水分子的邻居较少，因此比固态冰中拥有更大的运动自由度。在所谓的预熔层中，分子很容易被滑冰鞋、滑雪板或鞋子移位，所谓我们感觉到很滑。

如今，科学家普遍认为预熔层存在，至少接近熔点，但对其在冰的滑溜性中的作用存在分歧。

然而，去年，2025年8月，萨尔兰大学的一项新研究推翻了以上各种观点。如他们指出，在极低的温度下，即使冰没有预先融化的冰层，但仍然很滑。

新的研究显示，冰之所以滑，并不是因为压力和摩擦，而是由于电荷的作用。

2025年8月，科学家发现压力可以使冰的晶格结构紊乱，形成一层玻璃状的、具有自润滑性的层。 这令人惊奇，因为冰通常不会融化，却能保持光滑，但在压力下，冰却打破了自身的规律。模拟表明，滑动机械性地破坏了有序的冰晶格，形成一层非晶层，随着滑动的进行会变得更厚。

动图二，德国萨尔大学的材料科学家在计算机模拟中展示了，当两块冰块相互滑动时，中间的非定形层会逐渐变厚。

真正的原因在于分子偶极子所产生的电场。当任何物体接触冰时，其分子中的部分电荷会与冰晶体中高度有序的水分子偶极排列发生相互作用。这种静电“拉锯战”会使冰晶格最表层松动，转变为一层薄薄的、无序的准液态膜——无需热量或显著压力。

令人惊讶的是，这种自我润滑机制甚至在接近绝对零度的温度下仍然有效。在几乎没有热能、传统的压力融化或摩擦加热理论完全失效的极端条件下，冰依然保持滑性，仅仅因为其表面分子在电学上极易受扰动。

这一发现从根本上改写了我们对自然界最熟悉现象之一的理解。除了解决一个延续数百年的争论，它还具有直接的实际意义：从设计更好的冬季轮胎和真正有效的防滑表面，到研发性能更优的滑雪板、冰刀，甚至在低温环境下可靠工作的先进纳米材料。

动图三，在德国团队的另一项模拟中，一个更真实、粗糙的表面滑过冰面，推移了表面分子。

Cold Self-Lubrication of Sliding Ice，Physical Review Letters，2025

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