幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，冰的驚人光滑性一直讓科學(xué)家和普通人著迷。從滑冰者的優(yōu)雅滑行，到行人不慎的危險(xiǎn)滑倒，冰一直被認(rèn)為是自然界中最特殊的低摩擦材料之一。傳統(tǒng)解釋認(rèn)為，這種現(xiàn)象源自冰表面存在一層薄薄的液態(tài)水膜，這層水膜可能由壓力融化、摩擦生熱或預(yù)融層產(chǎn)生。然而，近年的計(jì)算物理與理論物理研究挑戰(zhàn)了這一經(jīng)典觀點(diǎn)。發(fā)表在 Physical Review Letters 上的突破性研究《Cold Self-Lubrication of Sliding Ice》（冰的冷自潤(rùn)滑）提出了一個(gè)全新的視角：冰并不需要通過(guò)加熱才能變得光滑。相反，滑動(dòng)本身就能在界面處引發(fā)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，即便在遠(yuǎn)低于融點(diǎn)的條件下，也能生成潤(rùn)滑性的非晶層。

重新理解冰的光滑性來(lái)源

經(jīng)典的冰摩擦理論認(rèn)為，外部熱量——無(wú)論是由滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量、壓力引起的融化，還是環(huán)境溫度——都必不可少，以生成潤(rùn)滑的水層。這一觀點(diǎn)解釋了為何滑冰者能高速滑行，或?yàn)楹纹?chē)輪胎在結(jié)冰道路上容易失控。但該理論未能解釋一個(gè)事實(shí)：即使在遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的溫度下，冰仍然可以非常光滑。這個(gè)矛盾提出了一個(gè)核心問(wèn)題：冰的滑性是否可能并非來(lái)自熱融化？

這項(xiàng)最新研究給出的答案是“冷自潤(rùn)滑”。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究者表明，當(dāng)兩塊冰相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，機(jī)械位移本身就會(huì)破壞界面的晶格結(jié)構(gòu)。并非由于升溫而融化，而是晶格在位移剪切下崩解為一種無(wú)序的非晶態(tài)層。這種結(jié)構(gòu)失序產(chǎn)生的層呈現(xiàn)出液態(tài)特性，能顯著降低剪切阻力，從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。

非晶化：一種新的潤(rùn)滑機(jī)制

這一發(fā)現(xiàn)的核心是非晶化現(xiàn)象，即晶體在機(jī)械應(yīng)力下轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)或類(lèi)液態(tài)的過(guò)程。在冰的情境中，氫鍵支撐的晶格結(jié)構(gòu)對(duì)剪切力尤為敏感。當(dāng)發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，界面處的分子被迫偏離晶格位置，從而形成一層納米級(jí)的類(lèi)液體薄膜。這一非晶層雖非熱融化，卻具備液體的潤(rùn)滑作用。

這一機(jī)制的意義極其重大。它表明，在極低溫條件下，冰也能自發(fā)生成潤(rùn)滑層，這在以往被認(rèn)為是不可能的。研究甚至指出，滑動(dòng)冰的磨損與剪切比值極低——比尼亞加拉大瀑布年均侵蝕率還低。這意味著冰能夠在保持表面完整的同時(shí)高效降低摩擦。

超低摩擦的形成條件

雖然這種位移誘導(dǎo)的潤(rùn)滑解釋了冰的光滑性，但滑動(dòng)時(shí)摩擦的高低仍取決于接觸材料的性質(zhì)。研究指出了兩個(gè)關(guān)鍵條件：

• 疏水性：表面對(duì)水的排斥作用讓非晶潤(rùn)滑層更自由地滑動(dòng)，降低界面能量耗散。親水表面則會(huì)“釘住”水分子，導(dǎo)致摩擦增加。
• 光滑性：原子級(jí)光滑或經(jīng)過(guò)精密處理的表面能維持非晶層的連續(xù)性，從而降低摩擦。而粗糙表面會(huì)破壞潤(rùn)滑層，使摩擦升高。

這也解釋了為何某些材料比其他材料在冰面上更易滑行。例如，特制的滑冰刀刃或滑雪板上的疏水涂層正是利用了這種結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑機(jī)制。

挑戰(zhàn)傳統(tǒng)假設(shè)

冷自潤(rùn)滑的提出，根本性地挑戰(zhàn)了冰摩擦的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。過(guò)去，人們普遍認(rèn)為當(dāng)溫度低到一定程度時(shí)，冰將不再光滑，因?yàn)樗o(wú)法形成。而新研究推翻了這一假設(shè)，證明冰的滑性并非純粹由熱效應(yīng)決定，而是源于結(jié)構(gòu)和力學(xué)機(jī)制。換句話說(shuō)，即使在遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的環(huán)境下，只要存在足夠的剪切，冰仍能生成潤(rùn)滑層。

這一發(fā)現(xiàn)也重塑了我們對(duì)自然和工程系統(tǒng)的理解。從冰川在基巖上的滑動(dòng)，到冬季交通技術(shù)的設(shè)計(jì)，冷潤(rùn)滑原理都為摩擦、磨損和能量耗散提供了新的視角。

科學(xué)與應(yīng)用意義

冷自潤(rùn)滑的意義不僅限于冰物理。位移誘導(dǎo)的非晶化機(jī)制可能適用于其他晶體材料，為摩擦學(xué)（研究摩擦、潤(rùn)滑與磨損的學(xué)科）提供了新的范式。如果結(jié)構(gòu)失序能作為一種普遍的潤(rùn)滑機(jī)制，工程師便可能設(shè)計(jì)出無(wú)需傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑即可實(shí)現(xiàn)超低摩擦的材料。

在實(shí)踐層面，這一研究對(duì)冬季運(yùn)動(dòng)、交通安全和低溫工程都有啟示意義。理解疏水、光滑表面對(duì)冰的作用機(jī)制，可推動(dòng)新型車(chē)輛、跑道或運(yùn)動(dòng)裝備的表面涂層研發(fā)。同時(shí)，這些原理也可能幫助解釋冰川和冰蓋的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)，因?yàn)榫薮蟮募羟袘?yīng)力控制著整個(gè)冰體的滑移。

結(jié)語(yǔ)

這一研究為我們理解冰摩擦提供了全新的視角。它揭示了冰的光滑性并非僅僅依賴熱融化，而是源于位移驅(qū)動(dòng)的非晶化過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了長(zhǎng)期存在的科學(xué)謎題，也為材料科學(xué)與摩擦學(xué)開(kāi)辟了新的研究道路。事實(shí)證明，冰并非在應(yīng)力下被動(dòng)融化的固體，而是一種能在極寒條件下主動(dòng)生成潤(rùn)滑層的“智慧”材料。這一發(fā)現(xiàn)不僅重新定義了我們?yōu)楹螘?huì)在冰上滑倒，也揭示了晶體材料在運(yùn)動(dòng)中如何自我適應(yīng)，展現(xiàn)出深遠(yuǎn)的科學(xué)與應(yīng)用價(jià)值。