图片来源：Shutterstock一百多年来，人们一直认为“冰受到压力和摩擦就会融化”。冬季走在结冰的路上，你会因为体重通过“温暖”的鞋底施加的压力而滑倒。但事实证明，这种解释并不正确。
一项研究表明，冰面变滑的原因并非压力或摩擦，而是冰中的分子偶极子与接触表面的分子偶极子的相互作用。相关成果近日发表于《物理评论快报》。
德国萨尔兰大学的Martin Müser、Achraf Atila和Sergey Sukhomlinov完成的这项研究，颠覆了近两个世纪前由英国的James Thompson建立的理论范式。他认为，温度与压力和摩擦力一起导致了冰的融化。
“事实证明，在冰面形成的薄液层中，压力和摩擦都没有起到特别重要的作用。”Müser解释说。该团队通过计算机模拟发现，分子偶极子才是形成这一“滑溜层”的关键因素，正是它让人们在冬天无法“立足”。
那么，什么是偶极子呢？当分子的一部分区域存在正电荷、一部分区域存在负电荷时，分子偶极子便形成了。这种电荷分布使分子具有指向特定方向的整体极性。
要更好理解这一过程，首先要了解冰的结构。在0摄氏度以下，水分子会排列成高度有序的晶格，即分子彼此整齐地排列在一起，形成坚固的晶体结构。当人们踏上这个有序的结构时，不是鞋底的压力或摩擦破坏了表层分子，而是鞋底偶极子与冰中偶极子发生了相互作用，导致原本有序的结构突然变得混乱。
“在三维空间中，这些偶极子-偶极子相互作用会陷入‘受挫状态’。”Müser说，这是物理学的一个概念，指相互竞争的力使系统无法实现完全有序的稳定构型。在微观层面，冰中偶极子与鞋底材料偶极子之间产生的作用力，破坏了冰与鞋底接触界面的有序晶体结构，使冰变得无序、无定形，最终变成液体。
除了颠覆近200年的认知外，该研究还打破了另一个误区。“此前人们认为，在低于零下40摄氏度的环境中无法滑雪，因为太冷了，雪板下面无法形成起润滑作用的液体膜。但事实证明，这种说法同样不正确。”Müser说。
“偶极子相互作用在极低温度下依然存在。值得注意的是，即便在接近绝对零度的环境中，冰与雪板的接触面仍会形成一层液态薄膜。”Müser解释说。不过，在如此低的温度下，薄膜比蜂蜜还黏稠。
对于冬季滑倒受伤的人来说，冰面变滑的原因是压力、摩擦还是偶极子或许无关紧要。但对于物理学而言，这种区别至关重要。（王方）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1103/1plj-7p4z