今天的文章是冰冰的_風聞

　　冬天到了

　　萬物冰凍

　　又到了蜷縮在暖氣片底下的季節

　　大自然的空氣中瀰漫着

　　冰冰的氣息……

　　（霧）

​來源：zhihu @吃胖頭魚的冰冰

　　看到冰冰是不是又有朋友激動起來了？？咳咳，先別激動，我們要好好學習，學知識最重要，今天我們講的其實是下面這個冰冰。

來源：pixabay

　　上週剛剛領教過體感温度完虐北極的天氣。

　　@CC

　　更慘的是，舍友忘關窗户！宿舍變成了冰窖，導致宿舍裏放的電動剃鬚刀電池內部極化增大，完全工作不了，宿舍裏用到電池的設備那天都發出了奇怪的聲音。這樣寒冷的天氣，讓小編到現在對那天還説忘穿秋褲的師姐表示respect。

　　不過從那天開始，冬天裏最棒的保留節目——滑冰，也可以搞起來啦！要想在朋友面前展現出你充分地做了攻略，那小編保證你看這篇****準沒錯。

　　一起做一個瞭解冰冰的人。

　　01

　　冰冰是怎麼凝固的

　　現在我們不講凝華，也不講液化，我們來講講融化，的反過程——凝固。

　　説到水是如何結冰的，但凡上過物理化學的人都會想到要搬出這個水的相圖來分析分析。一般來説液體變為固態，需要經歷一個過冷的狀態。

純水的相圖 來源：Wikipedia

　　實際上微觀層面上水是怎麼從自由狀態變成固態的****，是一個到****現在也懸而未決的問題。在過冷區域，在過冷水中存在大量的四面體配位的水，此時會形成水中的低密度液體區（Low density liquid, LDL），與之對應的是大量存在的高度配位的高密度液體區（High density liquid, HDL）。

　　奧斯特瓦爾德是1909年諾貝爾化學獎的獲獎人。儘管他是因為對催化的研究而獲此殊榮，但是他在物理化學領域絕對是有頭有臉的人物，甚至被稱為現代物理化學的爸爸。

奧斯特瓦爾德 來源：Wikipedia

　　他在1897年指出相變過程的經驗規律：相變過程中最先出現的晶形不是最穩定的晶形，反而是與母相在熱力學上接近但是不穩定的晶型（亞穩態）。這被稱為奧斯特瓦爾德分步規則（Ostwald’s step rule）

　　硅和水有着相似的配位性質，所以研究人員愛拿硅當水來研究。研究人員發現硅在結晶過程中，會遵循奧斯特瓦爾德分步規則，會在低密度區會由四面體配位的液體（亞穩態）結晶成為四面體配位的晶體。

硅晶體 來源：etsy

　　但水是怎樣結晶的呢，其實到現在沒有人能説的清楚，水結晶的過程更復雜，畢竟冰就有18種結構，但是參考上面硅的結晶過程，你應該只能勉強理解出一丟丟。

　　02

　　冰冰是怎麼融化的

　　**冰面為什麼這麼滑？**這個謎團的解開也是一個非常複雜且漫長的過程。凡是在冰上打刺溜滑過的人，應該都思考過這個問題。

　　早在170多年前，英國物理學家邁克爾·法拉第 （Michael Faraday）也開始思考和冰冰有關的問題了。沒錯就是出現在你的物理課本上的法拉第！小編想法拉第當時應該也是一個愛玩雪的北方人吧。

　　他在1842年9月8日的日記中記載了這一段思考（你看人家玩的時候都在思考）。

來源：參考文獻

　　這段思考其實就暗示了雪（其實就是小小的冰冰）在揉捏在一起的時候不會散落的原因——雪在捏在一起的時候會有水在雪球中產生毛細力，從而把雪固定在一團。而且當兩片冰就算在夏天貼在一起也會粘接在一起，其實也是暗示了冰的表面並不是完全的固體，這和他在此之前提出冰的表面實際上本來有一層水膜是相符的。

來源：zhihu @吃胖頭魚的冰冰

　　法拉第把這類現象稱之為復冰現象（Regelation），我們之前做過這個實驗（可戳）。後來開爾文勳爵的哥哥詹姆斯·湯姆森（James Thomson）卻表示不服，他在1861年提出，是因為有壓力施加在冰上或者雪上，從而降低了冰的熔點，冰融化產生水，才解釋了以上的現象。

　　這個理論在當時被人廣泛接受，但換在今天，物理專業的同志們應該都知道，這種熔點降低的程度十分微弱。

來源：網絡

　　我們假設一種情況，小明是一個75kg的壯漢，他要在零下20度的天氣裏滑冰，如果想因為壓強讓冰在這樣的低温下下融化，就得要求小明和冰面接觸的面積僅僅為0.5平方毫米。**這就相當於小明要站到1/200個指甲蓋大小的區域。**這……應該不太可能。所以造成冰面上有液相的主要原因也不在這。那造成冰冰表面有層水的熱量是哪裏來的呢？

　　後來人們也就自然而然地想到了摩擦生熱。英國物理學家菲利普·鮑登（Philip Bowden）是固體物理學和化學之父，同樣也是一位滑雪愛好者，他在1936年和1937年分別和Ridler和Hughes指出摩擦能夠使固體表面發生局域的熔化****。

來源：zhihu @吃胖頭魚的冰冰

　　我們繼續來做一個假設，還是那個小明，他用雙板滑雪此時的摩擦係數為0.05，滑過1cm所產生的熱量算出來約為0.37焦耳。假設與冰面的接觸面積為0.1cm2，算上冰從零下20度到0度再融化的過程，從而能融化約為0.01cm厚的水。假如一個水分子層厚度為0.4埃，也就是250000層水分子，這看起來就不那麼離譜了。

　　但是這樣説的話，那把雪捏成一團不散開的現象豈不是又解釋不了了。在生活中你也會想到就算不與冰面進行預摩擦，我們也會很容易摔倒。這説明在真正進行摩擦之前，冰面就已經有一層液膜存在了。

來源：zhihu @吃胖頭魚的冰冰

　　後來，人們發現這就是預熔化（premelt），並且這個過程在零下35℃就可以發生。

　　03

　　冰冰為什麼這麼滑

　　1951年，賓夕法尼亞大學的外爾（Weyl）教授意識到：你法拉第還是你法拉第，法拉第100年前應該説的是對的**——冰的表面本來就有一層水層**。當時人們還發現絕大多數固體表面都存在預熔化的現象。這主要是因為相比於固體直接接觸蒸汽，**表面預熔化一層液體更能夠降低表面能。**這就好像冬天睡覺的你，不蓋一層被子不舒服。

　　預熔化後表面能低一些 來源：參考文獻

　　隨着技術的進步，在1987年研究人員用橢圓偏振法發現了在冰的表面的確存在一層叫做準液體（Quasi-liquid layer, QLL）的過渡層

　　直到現在冰面上的物理也在一直被人們廣泛的研究，在摩擦學中，兩個相對滑動的固體之間的物質被稱為第三物體（third body）。2019年巴黎-狄德羅大學的L. Bocquet教授發表的一篇論文中用實驗的方法闡明瞭這種表現出高粘和高彈性的第三物體層。

來源：aps.org

　　原來冰冰的背後有這麼多的問題，要是去滑冰就算摔的四仰八叉，你也要非常有底氣地説，不是因為技術不好，是因為我瘦弱的身體承受不了這知識的重量啊！

來源：zhihu @吃胖頭魚的冰冰

　　參考文獻：

　　[1] Hughes F P B P . The Mechanism of Sliding on Ice and Snow[J]. Proceedings of the Royal Society of London, 1939, 172(949):280-298.

　　[2] J. G. Dash. Surface melting[J].Contemporary Physics,1989, 30:2, 89-100.

　　[3] Friction: an introduction, with emphasis on some implications in winter sports - Lyd´eric Bocquet.

　　[4] Desgranges C , Delhommelle J . Role of liquid polymorphism during the crystallization of silicon[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(9):2872-4.

　　[5] Nilsson A , Pettersson L G M . Perspective on the structure of liquid water[J]. 2011, 389(1-3):1-34.

　　[6] Soper A K , Ricci M A . Structures of high-density and low-density water[J]. Phys.rev.lett, 2000, 84(13):2881.

　　[7] Mishima O , Stanley H E . The relationship between liquid, supercooled and glassy water[J]. Nature.

　　[8] Lü, Yongjun, Bi Q , Yan X . Density-wave-modulated crystallization in nanoscale silicon films and droplets[J]. Journal of Chemical Physics, 2016, 144(23):L73.

　　[9] Li Y , Somorjai G A . Surface Premelting of Ice[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(27):9631-9637.

　　[10] Furukawa Y , Yamamoto M , Kuroda T . Ellipsometric study of the transition layer on the surface of an ice crystal[J]. Journal of Crystal Growth, 1987, 82(4):665-677.

　　[11] Canale L , Comtet J , Nigues A , et al. Nanorheology of interfacial water during ice gliding[J]. 2019.

　　[12] https://phys.org/news/2016-06-droplets-physics-ice.html

　　[13] https://www.smf.phy.cam.ac.uk/fracture/historical/history

　　[14] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03833-5

　　[15] http://sciencefocus.ust.hk/extraordinary-science-the-mechanism-of-ice-skating

　　[16] 冰面為什麼這麼滑