科普|今天的文章是冰冰的_

冬天到了
万物冰冻
又到了蜷缩在暖气片底下的季节
大自然的空气中弥漫着
冰冰的气息……
（雾）

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来源：zhihu @吃胖头鱼的冰冰
看到冰冰是不是又有朋友激动起来了？？咳咳，先别激动，我们要好好学习，学知识最重要，今天我们讲的其实是下面这个冰冰。

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来源：pixabay
上周刚刚领教过体感温度完虐北极的天气。

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@CC
更惨的是，舍友忘关窗户！宿舍变成了冰窖，导致宿舍里放的电动剃须刀电池内部极化增大，完全工作不了，宿舍里用到电池的设备那天都发出了奇怪的声音。这样寒冷的天气，让小编到现在对那天还说忘穿秋裤的师姐表示respect 。
不过从那天开始，冬天里最棒的保留节目——滑冰，也可以搞起来啦！要想在朋友面前展现出你充分地做了攻略，那小编保证你看这篇准没错。
一起做一个了解冰冰的人。

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01
冰冰是怎么凝固的
现在我们不讲凝华，也不讲液化，我们来讲讲融化，的反过程——凝固。
说到水是如何结冰的，但凡上过物理化学的人都会想到要搬出这个水的相图来分析分析。一般来说液体变为固态，需要经历一个过冷的状态。

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纯水的相图来源：Wikipedia
实际上微观层面上水是怎么从自由状态变成固态的，是一个到现在也悬而未决的问题。在过冷区域，在过冷水中存在大量的四面体配位的水，此时会形成水中的低密度液体区（Low density liquid, LDL），与之对应的是大量存在的高度配位的高密度液体区（High density liquid, HDL）。
奥斯特瓦尔德是1909年诺贝尔化学奖的获奖人。尽管他是因为对催化的研究而获此殊荣，但是他在物理化学领域绝对是有头有脸的人物，甚至被称为现代物理化学的爸爸。

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奥斯特瓦尔德来源：Wikipedia
他在1897年指出相变过程的经验规律：相变过程中最先出现的晶形不是最稳定的晶形，反而是与母相在热力学上接近但是不稳定的晶型（亚稳态）。这被称为奥斯特瓦尔德分步规则（Ostwald's step rule）
硅和水有着相似的配位性质，所以研究人员爱拿硅当水来研究。研究人员发现硅在结晶过程中，会遵循奥斯特瓦尔德分步规则，会在低密度区会由四面体配位的液体（亚稳态）结晶成为四面体配位的晶体。

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硅晶体来源：etsy
但水是怎样结晶的呢，其实到现在没有人能说的清楚，水结晶的过程更复杂，毕竟冰就有18种结构，但是参考上面硅的结晶过程，你应该只能勉强理解出一丢丢。

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02
冰冰是怎么融化的
冰面为什么这么滑？这个谜团的解开也是一个非常复杂且漫长的过程。凡是在冰上打刺溜滑过的人，应该都思考过这个问题。
早在170多年前，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）也开始思考和冰冰有关的问题了。没错就是出现在你的物理课本上的法拉第！小编想法拉第当时应该也是一个爱玩雪的北方人吧。

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他在1842年9月8日的日记中记载了这一段思考（你看人家玩的时候都在思考）。

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来源：参考文献
这段思考其实就暗示了雪（其实就是小小的冰冰）在揉捏在一起的时候不会散落的原因——雪在捏在一起的时候会有水在雪球中产生毛细力，从而把雪固定在一团。而且当两片冰就算在夏天贴在一起也会粘接在一起，其实也是暗示了冰的表面并不是完全的固体，这和他在此之前提出冰的表面实际上本来有一层水膜是相符的。

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来源：zhihu @吃胖头鱼的冰冰
法拉第把这类现象称之为复冰现象（Regelation），我们之前做过这个实验（可戳）。后来开尔文勋爵的哥哥詹姆斯·汤姆森（James Thomson）却表示不服，他在1861年提出，是因为有压力施加在冰上或者雪上，从而降低了冰的熔点，冰融化产生水，才解释了以上的现象。
这个理论在当时被人广泛接受，但换在今天，物理专业的同志们应该都知道，这种熔点降低的程度十分微弱。

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来源：网络
我们假设一种情况，小明是一个75kg的壮汉，他要在零下20度的天气里滑冰，如果想因为压强让冰在这样的低温下下融化，就得要求小明和冰面接触的面积仅仅为0.5平方毫米。这就相当于小明要站到1/200个指甲盖大小的区域。这……应该不太可能。所以造成冰面上有液相的主要原因也不在这。那造成冰冰表面有层水的热量是哪里来的呢？
【科普|今天的文章是冰冰的】后来人们也就自然而然地想到了摩擦生热。英国物理学家菲利普·鲍登（Philip Bowden）是固体物理学和化学之父，同样也是一位滑雪爱好者，他在1936年和1937年分别和Ridler和Hughes指出摩擦能够使固体表面发生局域的熔化。

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来源：zhihu @吃胖头鱼的冰冰
我们继续来做一个假设，还是那个小明，他用双板滑雪此时的摩擦系数为0.05 ，滑过1cm所产生的热量算出来约为0.37焦耳。假设与冰面的接触面积为0.1cm2 ，算上冰从零下20度到0度再融化的过程，从而能融化约为0.01cm厚的水。假如一个水分子层厚度为0.4埃，也就是250000层水分子，这看起来就不那么离谱了。
但是这样说的话，那把雪捏成一团不散开的现象岂不是又解释不了了。在生活中你也会想到就算不与冰面进行预摩擦，我们也会很容易摔倒。这说明在真正进行摩擦之前，冰面就已经有一层液膜存在了。

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来源：zhihu @吃胖头鱼的冰冰
后来，人们发现这就是预熔化（premelt），并且这个过程在零下35℃就可以发生。
03
冰冰为什么这么滑
1951年，宾夕法尼亚大学的外尔（Weyl）教授意识到：你法拉第还是你法拉第，法拉第100年前应该说的是对的——冰的表面本来就有一层水层。当时人们还发现绝大多数固体表面都存在预熔化的现象。这主要是因为相比于固体直接接触蒸汽，表面预熔化一层液体更能够降低表面能。这就好像冬天睡觉的你，不盖一层被子不舒服。

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预熔化后表面能低一些来源：参考文献
随着技术的进步，在1987年研究人员用椭圆偏振法发现了在冰的表面的确存在一层叫做准液体（Quasi-liquid layer, QLL）的过渡层
直到现在冰面上的物理也在一直被人们广泛的研究，在摩擦学中，两个相对滑动的固体之间的物质被称为第三物体（third body）。 2019年巴黎-狄德罗大学的L. Bocquet教授发表的一篇论文中用实验的方法阐明了这种表现出高粘和高弹性的第三物体层。

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来源：aps.org
原来冰冰的背后有这么多的问题，要是去滑冰就算摔的四仰八叉，你也要非常有底气地说，不是因为技术不好，是因为我瘦弱的身体承受不了这知识的重量啊！

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来源：zhihu @吃胖头鱼的冰冰
参考文献：
[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.
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[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] 冰面为什么这么滑
编辑：Kun

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