冬奥会上,短道速滑紧张刺激,运动员在弯道超越时的身姿可谓风驰电掣;花样滑冰高贵优雅,运动员在冰面起舞,“翩若惊鸿,婉若游龙”……
这一切的基础都离不开光滑的冰面。然而,冰为什么那么滑?这个看起来再普通不过的现象,却困扰了科学家多年。
1987年,科学家通过X射线成像技术发现,冰面上应该存在一层非常薄的水分子层,厚度约在100纳米量级。这一发现证实了冰的表面确实存在着一层准液体。
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。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”在冰表面。一些研究团队甚至模拟出了水分子是如何在冰表面“游荡”的。
一项发表于《自然》杂志的研究显示,科学家通过设计一种可以“听”的测力仪,能够测量这层准液体的力学特性,并从微观角度探讨冰为什么滑。这套测力仪由类似音叉的装置和毫米大小的玻璃珠构成。在实验中,玻璃珠会像一个小冰刀一样,以几十微米的距离尺度在同一区域的冰面上滑行。用来振动的音叉上附有一个加速器,可以测量玻璃珠的振荡振幅,从而计算出玻璃珠和冰之间的摩擦系数。
最终,科学家发现这层准液体并非简单的水,而是水和微小碎冰的混合物。它像油一样黏稠,具有黏弹性。科学家认为,这正是冰为什么滑的秘密源头。
当然,冰上竞技运动中,冰刀的存在也让运动员如虎添翼。我国科学家发现,水膜中的微小碎冰充当了轴承滚珠的角色。当运动员脚踏冰刀飞速滑过时,冰刀产生的压强作用使得这些微小碎冰像珠子一样被捏爆,释放出来的液态水增加了原本的水膜厚度,使冰变得更滑。
(《科技日报》2.11 孙瑜)