冰的滑溜是一種日常生活中常見現(xiàn)象，令人驚訝的是，盡管有很長的科學(xué)歷史，這種現(xiàn)象仍然存在爭議。在冰上測量到非常小的摩擦是由于滑塊和冰之間存在一層很薄的自潤滑融水膜。但是，雖然對冰和雪的宏觀摩擦行為進(jìn)行了廣泛的研究，但對界面水膜及其力學(xué)性能的研究卻很少。

在本研究中，科學(xué)家們開發(fā)了一種沖擊探針力測量技術(shù)，以揭示冰潤滑的微觀機(jī)制。同時測量了冰珠的剪切摩擦，量化了在不同速度和溫度下界面膜的原位力學(xué)性能和厚度。

與標(biāo)準(zhǔn)觀點相反，發(fā)現(xiàn)融水表現(xiàn)出復(fù)雜的粘彈性流變學(xué)，其粘度比原始水大2個數(shù)量級。融水的非常規(guī)流變學(xué)為冰的“光滑”提供了一個新的、一致的理論基礎(chǔ)。此外，由于局部粘度的驚人變化，疏水性涂層的摩擦大大減少，這為冬季運動中的打蠟效應(yīng)提供了一個意外的解釋。除了冰的摩擦之外，研究結(jié)果還為自修復(fù)潤滑油實現(xiàn)超低摩擦提供了新途徑。所以冰為什么這么光滑的答案在于摩擦產(chǎn)生了一層水膜。

這種水膜比預(yù)期的薄得多，粘性也比通常的水大得多，因為它類似于我們在夏天喝的碎冰“雪錐”。CNRS和ENS-PSL的研究人員在école Polytechnology的支持下，在2019年11月4日發(fā)表在《物理評論X》上的一項研究中證明了這一現(xiàn)象。冰的“光滑”性質(zhì)通常歸因于由摩擦產(chǎn)生的一層薄薄的液態(tài)水形成，例如能滑冰運動員在這個液膜上“沖浪”。這層薄薄水的性質(zhì)以前從未被測量過：它的厚度在很大程度上仍然是未知的。而它的性質(zhì)，甚至它的存在，都是爭論的主題。

更重要的是，由于液態(tài)水是已知不好的潤滑劑，這種液膜怎么能減少摩擦并使冰變得光滑呢？為了解決這一悖論，來自體格實驗室(CNRS/ENS-PSL/Sorbonne Université/Universitéde Paris)的研究人員與水力動力實驗室(LadHyX，CNRS/école Polytechnology)的一個團(tuán)隊合作，開發(fā)了一種配備有音叉的設(shè)備（類似于音樂中使用的音叉）可以在滑冰過程中以驚人的精確度“聽到”其中的力。

盡管儀器的尺寸只有幾厘米，但它足夠敏感，可以在納米尺度上探測冰并分析摩擦特性。多虧了這些獨特的裝置，科學(xué)家們第一次能夠清楚地證明摩擦確實會產(chǎn)生液態(tài)水薄膜。盡管如此，同時還提供了許多驚喜：厚度只有幾百納米到一微米（頭發(fā)的百分之一），它比理論估計的要薄得多。更令人意想不到的是，這一薄膜根本不是“簡單的水”，而是由與油一樣粘稠的水組成，具有復(fù)雜的粘彈性特性。這種意想不到的行為表明，表面冰并沒有完全轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。

而是最終以類似于“雪錐”的混合狀態(tài)結(jié)束，即冰水和碎冰的混合。因此，在冰上滑動的奧秘可以在這種水膜“粘性”性質(zhì)中找到。這些結(jié)果表明，需要對已提出用于描述冰上摩擦的理論描述進(jìn)行徹底檢修。融水的不同尋常性質(zhì)是一個關(guān)鍵因素，直到現(xiàn)在還沒有被考慮到。這將有助于更好地理解冰滑行現(xiàn)象，例如在冬季運動中，也將有助于提出增加摩擦力的創(chuàng)新解決方案，以避免在結(jié)冰的道路上打滑。

博科園｜研究/來自：CNRS

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041025

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