冰面为什么滑？这是个化学问题

最近几天气温骤降，

很多地方都结了厚厚的冰。

那您有没有想过，

冰面为什么会这么滑呢？

您也许会觉得：这个问题太简单了吧！

但其实，这其中却蕴涵着非常复杂的化学原理——

为了搞清楚这个问题，科学家们不得不从头开始，从最基本的物理、化学性质开始重新认识研究的对象——冰。冰，到底是种怎样的物质呢？

绝大部分人都知道答案，冰是固态的水。正是这个凝固的过程让冰成为了一种特殊的物质。对于宇宙中绝大部分物质而言，固体比液体的密度更高。当物质被冷却凝结时，其内部的分子排列会变得更加紧密。但是冰却正好相反，当水的温度降低至0℃时，氢键按四面体链接方式将众多的H₂O分子连接成庞大的分子晶体，具体可参见下面这张图，→_→右边的就是冰分子，排列有序，空间舒展！

因此，冰的密度通常比水更小，所以冷饮里的冰块才会浮在水面上。

分析完冰的特性，科学家们想出了“压力融解说”“摩擦融解说”和“表面融化说”，来解释冰面为什么那么滑？

还有一种猜想是冰面本来就有水！

2017年，Huib J. Bakker课题组利用Surface sum-frequency generation (SFG) spectroscopy技术观测到冰表面存在一层“准液体”。

冰表面液态水层示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

原来，当水结冰时，每一个水分子都会通过氢键抓住其周围的水分子，形成晶体结构，就像图中红色的结构一样。但是表层的水分子周围缺少其他水分子，因此没有办法形成如冰块内部那般规则的结构，只能杂乱无序地游荡在表面。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。

早在1987，科学家就已经用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。

随后进行的分子动力学模拟，研究表明大部分的冰中的每个水分子与四个水分子形成氢键，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。

该工作发表在Angew 上，并作为封面文章报道。

当期杂志封面。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.