一百多年来，全球学生都被教导“冰在受到压力和摩擦力时会融化”。冬季走在结冰的路面上，身体重量通过仍有温度的鞋底施加压力，便可能导致人滑倒。但事实证明，这种解释并不正确。
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最近，德国萨尔兰大学研究人员开展的一项新研究揭示，冰面变滑的原因并非压力或摩擦力，而是冰中的分子偶极子与接触表面的分子偶极子之间发生的相互作用。相关成果发表于《物理评论快报》。
该研究由Martin Müser及同事Achraf Atila、Sergey Sukhomlinov共同完成，结论颠覆了近两个世纪前由英国的James Thompson提出的理论范式。Thompson认为，除温度外，压力和摩擦力也会导致冰融化。
“事实证明，在冰面形成薄液层的过程中，压力和摩擦力都没起到特别重要的作用。”Müser解释说。相反，该团队通过计算机模拟发现，分子偶极子才是这层“滑溜薄膜”形成的关键因素。正是这层“滑溜薄膜”，常常让人们在冬天不慎滑倒。
那么，偶极子究竟是什么？当分子中存在部分正电荷区域和部分负电荷区域时，就会形成分子偶极子。这种电荷分布使分子具有整体极性，并指向特定方向。
要更好地理解这一过程，需先了解冰的结构。在0摄氏度以下，水分子会排列成高度有序的晶格结构——分子彼此整齐地排列，形成坚固的晶体。当人踩在这种有序结构上时，不是鞋底产生的压力或摩擦力破坏了表层分子，而是鞋底中的偶极子与冰中的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‘受阻状态’。”Müser表示。“受阻状态”是物理学中的一个概念，指相互竞争的力使系统无法达到完全有序的稳定构型。在微观层面，冰中的偶极子与鞋底材料中的偶极子之间产生的作用力，会破坏冰与鞋底接触界面处的有序晶体结构，使冰的结构变得无序、无定形，最终形成液态薄膜。
除了颠覆近200年的认知，该团队的研究还破除了另一个误区。“此前人们认为，在低于零下40摄氏度的环境中无法滑雪，是因为温度过低，滑雪板下方无法形成起到润滑作用的薄液层。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，冰与滑雪板的接触界面处仍会形成液态薄膜。”Müser解释说。不过，在如此低的温度下，薄膜的黏度比蜂蜜还高，以至于我们几乎不会将其当作水，在上面滑雪也几乎不可能，但薄膜确实存在。
对于因冬季滑倒受伤的人来说，冰面变滑的原因究竟是压力、摩擦力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。研究团队这一发现的意义在逐步显现，也已引起科学界的广泛关注。
相关论文信息：https://doi.org/10.1103/1plj-7p4z
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