冰的滑溜是一種日常生活中常見現象，令人驚訝的是，儘管有很長的科學歷史，這種現象仍然存在爭議。在冰上測量到非常小的摩擦是由於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行了廣泛的研究，但對界面水膜及其力學性能的研究卻很少。在本研究中，科學家們開發了一種衝擊探針力測量技術，以揭示冰潤滑的微觀機制。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性能和厚度。
與標準觀點相反，發現融水錶現出複雜的粘彈性流變學，其粘度比原始水大2個數量級。融水的非常規流變學為冰的“光滑”提供了一個新的、一致的理論基礎。此外，由於局部粘度的驚人變化，疏水性塗層的摩擦大大減少，這為冬季運動中的打蠟效應提供了一個意外的解釋。除了冰的摩擦之外，研究結果還為自修復潤滑油實現超低摩擦提供了新途徑。所以冰為什麼這麼光滑的答案在於摩擦產生了一層水膜。
這種水膜比預期的薄得多，粘性也比通常的水大得多，因為它類似於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日發表在《物理評論X》上的一項研究中證明了這一現象。冰的“光滑”性質通常歸因於由摩擦產生的一層薄薄的液態水形成，例如能滑冰運動員在這個液膜上“衝浪”。這層薄薄水的性質以前從未被測量過：它的厚度在很大程度上仍然是未知的。而它的性質，甚至它的存在，都是爭論的主題。
更重要的是，由於液態水是已知不好的潤滑劑，這種液膜怎麼能減少摩擦並使冰變得光滑呢？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)的一個團隊合作，開發了一種配備有音叉的設備（類似於音樂中使用的音叉）可以在滑冰過程中以驚人的精確度“聽到”其中的力。
儘管儀器的尺寸只有幾釐米，但它足夠敏感，可以在納米尺度上探測冰並分析摩擦特性。多虧了這些獨特的裝置，科學家們第一次能夠清楚地證明摩擦確實會產生液態水薄膜。儘管如此，同時還提供了許多驚喜：厚度只有幾百納米到一微米（頭髮的百分之一），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，具有複雜的粘彈性特性。這種意想不到的行為表明，表面冰並沒有完全轉化為液態水。
而是最終以類似於“雪錐”的混合狀態結束，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”性質中找到。這些結果表明，需要對已提出用於描述冰上摩擦的理論描述進行徹底檢修。融水的不同尋常性質是一個關鍵因素，直到現在還沒有被考慮到。這將有助於更好地理解冰滑行現象，例如在冬季運動中，也將有助於提出增加摩擦力的創新解決方案，以避免在結冰的道路上打滑。
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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