冰面到底为什么这么滑?这是个分子动力学的问题
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-09
来源:中科院物理所
原标题:冰面为什么滑?这是个分子动力学问题
冰面为什么滑呢?
企鹅界的世界杯竞争也很激烈。图片来源于网络
冰面本来就是滑的啊,这不是常识吗?有什么好解释的?
化学家们总是“较真的”,他们一定要给出一个合理的解释:冰之所以会有很小的摩擦力,是因为脚丫子或鞋等身体重量的支撑点与冰面之间有一层水,水分子能起到润滑的作用,所以无论是否穿着溜冰鞋,都能在冰上滑出“似魔鬼的步伐”。
无序的水分子(左)和排列整齐的冰(右)。图片来源:Ascalaph Designer program
然而,问题又来了,冰面上的水从哪里来的呢?冰面温度那么低,水都应该结冰才对啊?
流传最广的应该是“压力融化说”——冰在压力下融化,形成水膜。这个想法来自James Thompson在 19世纪50年代提出了一个数学模型:冰的熔点随压强的增大而降低。[1] 也就是说,只要有足够大的压力,冰就会变成水。而所谓的“复冰现象”,就是压力增大使冰融化,然后在压力恢复常值时重新结冰的现象。动画片里,柯南还根据“复冰现象”破解过冰室杀人之谜。
图片来源:《名侦探柯南》687集
解释看似很合理,但往往流传最广的不一定就最准确。比如,一个体重约68公斤的人站在冰上,只能使冰的熔点降低大约0.0167 ℃。冰场的冰面温度大约是-3.5 ~ -7 ℃,即使是穿着溜冰鞋,接触面只有冰刀那么一点点面积,想让冰在零下3.5摄氏度融化,也需要运动员体重达到约200公斤,这体重踩着冰刀去玩花样滑冰???此外,压力融化并不会立即发生,一个人也不可能简单地通过压力融化出冰面上的一层水。
于是,科学家又提出了“摩擦生热融化说”。这个解释似乎更加直观,冰刀高速摩擦冰面,产生热量,使冰面融化。可是细想就会发现问题,例如很多人一站到冰面上,动都没动就摔倒了,根本还没有足够的摩擦去生热。
这也不对,那也不对,难不成冰面上本来就有一层水?
恭喜你,答对了!都会抢答了哈!
冰表面液态水层示意图。图片来源:Angew。 Chem。 Int。 Ed。 [2]
1987,科学家用X射线成像证实了冰面上的确存在一层“准液体”水。它非常非常薄,在-1 ℃时其厚度介于1~94 nm之间。[3]
去年,Huib J。 Bakker课题组利用Surface sum-frequency generation (SFG) spectroscopy技术观测冰表面的这层“准液体”。研究发现,冰中的水分子通过氢键彼此结合,稳定的排列在一起,形成晶体结构。而表面上的分子排列却非常混乱,形成一层过冷液体“水膜”。从零度到零下二十多度,这层“水膜”一直存在。[2] 该工作发表在Angew 上,并作为封面文章报道。
近日,荷兰阿姆斯特丹大学Daniel Bonn课题组设计了一个有趣的实验来研究这层“准液体”。研究者测试了一个金属球在冰面上的滑动摩擦,控制冰面温度从-100 ℃到0 ℃,小球的运动速度从10-6到10-1 m·s-1。结果发现:低温时,冰面的摩擦力较大,-70 ℃开始摩擦力迅速下降,在-7 ℃时摩擦力达到最小值。[4]
实验过程示意图及分子模拟。图片来源:J。 Phys。 Chem。 Lett。
有趣的是,摩擦系数并不随温度呈现单调变化。在低温下,冰的表面并不滑,-100 ℃时摩擦系数为μ=0.5,和干燥玻璃表面的摩擦系数差不多。同时,在低摩擦(-7 ℃和-21 ℃)条件下,摩擦系数与物体的滑动速度无关,滑动速度改变了4个数量级都不能影响摩擦系数的大小,由此可见,与速度相关的摩擦加热并没有起到重要的作用。
研究者随后进行了分子动力学模拟,研究表明大部分的冰中的水分子形成四个氢键,而在冰表面的“准液体”层中的每个分子与两到三个水分子以氢键结合。当温度高于-70 ℃时,只有两个氢键的分子比例开始增加,与下层冰连接的氢键断裂,使得冰表面产生了很多具有流动性的“水分子”,实际上也可以称作“可移动的冰”。这就像地面上铺了一层滚动的圆木,冰面也因此变得非常光滑。
现在终于明白了吧,冰面为什么滑?什么时候最滑?这都是需要用分子动力学来解释的化学问题。
PS:身边如果有高考完的年轻人向你请教如何填报专业,不妨把本文发给他们看下,说不定就有人就和我们一样上了化学的车呢?
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