冰会像水一样爆炸吗,Binghui Wu

2022-07-31 16:11:15 产经资讯

　　作者：黄福　　

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　　(向左滑动)如果你觉得我的文章还不错，请点击关注，推荐阅读，评论转发。你的每一次点击都是我创作这篇文章的动力。许多人都有滑冰的经历，或者至少在冬天走在结冰的路上。大家对冰的光滑度一定不陌生，至于它的成因，恐怕就没那么清楚了。最简单直观的statement-「冰」之所以光滑，是因为它的表面非常平。 　　

　　【为什么“冰”的表面这么光滑！按照我们对摩擦力的一般解释，摩擦力之所以存在，是因为它的微观表面上有许多小的锯齿状结构。这些起伏的微小锯齿在彼此相对移动时会形成阻力，从而提供摩擦的基本来源。　　

　　事实上，很久以前就有一种说法，认为“冰”的光滑是因为冰的表面有一层水膜，冰本身是有点湿的。我们有过这样的生活经历，正是这层水膜的存在起到了润滑的作用。这层水膜有多厚？它的成分到底是什么？它的本质是什么？甚至它在物质上是否真的存在，对摩擦原因的贡献有多大，也一直存在争议。　　

　　直到来自ENS物理实验室和动力实验室的两个团队合作，开发出一种新型设备。这个设备很奇怪，有点像我们音乐中使用的音叉，但是这个物理音叉不是用来听声音的，而是用来监测水的粗细和状态的。通过这个奇妙的物理音叉，ENS物理实验室和动力实验室终于揭开了冰光滑的秘密。这个仪器的大小大约有几厘米长，但是非常灵敏，可以探测到纳米级水冰的存在。有了这样一套精密的探测设备和独特的探测方法，现在科学家们终于明白，3354冰的顶部确实存在着一层水膜，但这一层水膜的厚度比原先预计的要薄得多，只有几百纳米，最多100微米以下，比理论计算的要薄得多。　　

　　更让人意想不到和大开眼界的是，这部片子不是简单的水。相反，这层水非常粘稠。如果水本身就是很好的润滑剂，那么很多机器就不需要使用昂贵的机油。水也许能解决相当多的问题，但实际上，水是公认的非良性润滑剂，润滑效果很差。因此，仅仅水膜的存在不足以解释冰变得非常光滑。　　

　　【冰水和碎冰的结合】这层水膜粘性极强，里面有微小的冰晶颗粒，说明这层水的特性异常。它不仅薄，而且内部有大量固态微结构。正是这层冰水和碎冰的结合，形成了一层薄薄的水膜，提供了强大的润滑能力。微小且可滚动的冰晶颗粒就像微型轴承，把滑动摩擦变成滚动摩擦。但如果只有坚硬的微小颗粒才能让所有的摩擦都变得光滑，那么我们就可以在很多机器上随便撒一把细沙，所以光有颗粒是不够的，还要有水的存在，水提供了相应的流动性。这层粘稠的水可以在这些微型轴承周围自由流动，这进一步增强了冰面上薄薄的水膜的润滑性。　　

　　【雪花为什么是六边形？]要回答这个问题，我们得从水分子的基本结构说起。雪花是水分子的结晶，也就是固态的水。也许你会问，3354冰箱里的冰块不也是水的固体形态吗？为什么不是六边形结构？　　

　　这是因为雪花是从零开始逐渐生长的晶体。它反映了水从一个微小的晶核中逐渐伸出的样子。你可以把它想象成一个美丽而对称的积木，而一大块冰则是许多这样的积木被挤压变形，无序堆叠在一起的结果。当然，它不能保持外观上的对称。为什么从中心向外延伸的水结晶一定是六边形？不能是五边形吗？　　

　　因为还真的做不到，水分子的自然结构决定了这一点。　　

　　水由两个氢原子和一个氧原子组成。它们之间的结合得益于对电子对的处理。在化学中，这种电子对被称为共价键。带相同负电荷的电子会互相排斥，所以水分子中氢原子和氧原子外面的那些电子不是均匀分布的，它们会尽可能远离，这样氧原子一边的远端呈现弱电负性，而两个氢原子的远端呈现弱正电性，这样一个氧拉两个。　　

　　在上世纪的20年代，科学家们利用X射线衍射技术确定出这个夹角是104.5度，这个角度在宇宙的任何角落的水分子里都会保持不变，正是这个角度让水分形成固体时必然呈现出六边形的样子。结晶是分子随着温度的降低失去活性，逐渐不愿移动，相互靠近，携手形成美丽的立体网格。这是克里斯托。一个水分子网格形成的时候，中间必然会形成一个核心六边形，而每个顶点恰好都是一个水分子，这也是为什么在这个六边形的中心网格的基础上会慢慢长出一片六边形的雪花。　　

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但是细心的人可能会纳闷，刚才不是说了吗？两个氢氧键之间的夹角是104.5度，那6组这样的夹角拉手起来的中心网格应该是104.5×6，大约是627度，这并不是一个六边形真正的几何上的内角和720度，那怎么就能说6个水分子拉起手来刚好就组成一个六边形呢？

这个误解是把水分子结晶时的网格想成了平面网格，但其实它是三维的，由于氢原子和氧原子端电性的微小差异，在三维空间当中，每一个水分子都是同时受到周边多个水分子的影响，在中心当6个水分子想拉起手来时，它们并不是处在同一个平面，而是相互之间彼此有一个扭转角度，这样的空间搭配就可以组成一个稳定的固体网格，也就是我们看到的雪花晶体，从剖面上来看，它就是一个六边形。

中央晶格在水蒸气的包围之中慢慢集聚起来，更多的水分子这个六边结构就开始向外扩张，温度、湿度这些条件的不同都会影响扩张的图案，由于水分子非常小，因此在每一个瞬间，可以认为当前时刻这个水分子的6个方向所处的环境基本是相同的，所以它们就在各个方向上有对称地伸展图案，但在不同的时刻，雪花结晶条件一直是在改变的，所以这片雪花从整体上来看又是变化多端的。

【每片雪花拥有独特的“指纹”】加州理工大学物理学教授肯尼斯·利布希特曾经对雪花进行过深入研究和观察，他总结说——“在零下二度附近时，雪花会成长为薄板的形状，而在零下5度附近，它们又形成了细长的圆柱或者是针状结构，等到了零下15度附近，雪花又会再度变得非常的薄。”

没有人能够准确的解释，为什么相对较小的温度的改变就会引起雪花结构剧烈的变化。

世界上没有两片完全相同的雪花，1998年曾有一位研究者南希·奈特声称，他在显微镜当中发现了两片一模一样的雪花，但这也许只是看起来相似而已，因为即便是外观接近，在自然界当中，每3000个氢原子当中就会出现一个氢的同位素·氘，一片雪花当中含有数以百亿百亿计的氢原子，那也就会有大量的氘元素，可是氘的分布完全是随机的，没有办法预测，这一点就注定了任何两片雪花之间不可能毫无区别。