#征服宇宙的預習課-03-20191130
#實習編輯幻月 又來了！征服宇宙時萬一碰到冰天雪地的星球，這篇就用得上啦！
雖然已經到了11月的最後一天，不過天氣還是屬於「涼爽宜人」，還沒到「冷個半死」，但是無視於越來越溫暖的冬天，《#冰雪奇緣2》依然強勢登場！（電影院冷氣開強一點就有 Fu 啦！）才剛上映一週，當然不能劇透以免被打，不過上一集的劇情就沒關係：第一集最後，艾莎女王造出一個溜冰場。大家快樂的在上面 #溜冰。
從冰箱裡拿出來的冰塊，粗粗硬硬的，顯然不適合拿來「溜」，不過想當然耳，如果上面融化出一層水，就會變滑，不過就算如此，「水」這種東西其實潤滑效果並不好，舔冰棒時會覺得滑，但是真的要「溜冰」，摩擦力還是太大了。
冰，是凍結成固體的水，存在於世界各處。從古時候的冰窖到現今人人手中拿著的冰棒，人們無處不應用著冰。而人們對於冰的印象總是「堅硬」、「冷」、「表面光滑」。
其中冰的堅硬特性是由其分子結構所形成的，冰的冰涼感是因為熱能傳遞至冰塊上，但是冰的表面光滑特性呢?
在科學界中，有關於冰的表面光滑特性長時間以來一直都有爭論。最初，科學家對於冰的表面光滑性的解釋是：當物體與冰接觸時，物體會對冰的表面施加壓力，從而導致表面的冰熔解成水，且會使得物體處在冰水交界處，因而造成物體和冰之間摩擦力下降，產生潤滑效果，舉個例子如溜冰鞋在冰上滑過。而這種解釋便被稱為「壓力熔化論」，起源於19世紀。但是這一理論有著缺點，即是需要多少的壓力才可以使冰的熔點降至足夠的溫度。根據實驗觀察的結果，一位體重約68公斤的人站在冰上，只能使冰的熔點下降大約0.0167 ℃。而一般假設在冰場溜冰，冰場的冰面溫度大約為 -3.5(℃) ~ -7(℃)。若要使冰的熔點達到-3.5(℃)，則需要體重約200公斤的人。這顯示在一般的情況下，壓力並不能使冰的熔點降至所需的溫度，所以這一理論看起來並不合適。
同樣起源於19世紀的另一個解釋是：冰表面的分子和冰內部的其他分子結合得並不是很穩固(即冰的表面分子像是水分子般在冰的表面自由移動，就像是可移動的浮冰)。這些表面冰分子處於類似半液體的狀態，因而不管物體施加了多少壓力，表面冰分子都可為物體產生潤滑效果。但這一假說，在發現冰的表面分子對於冰的摩擦係數(光滑特性)影響並不大時，而被質疑。
然而在20世紀，又有科學家提出另一解釋：摩擦生熱，即物體在冰的表面上摩擦會產生熱量，而這些熱量會導致冰的表面分子融化成液態，從而造成潤滑效果。但是，這一理論也不能完整說明在零度以下的場合，只站立在冰上且並無摩擦的情況下，仍容易打滑。
法國國家科學研究中心（CNRS）的A. Siria以及L. Bocquet所領導的團隊，11月4日在頂尖期刊「Physical Review X」發表了「溜冰時介面水的 #奈米流變學」（Nanorheology of Interfacial Water during Ice Gliding），他們在原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）上安裝了一個微小的「音叉」，透過音叉的震動來量測介面上液體的力學特性。實驗結果證實了近年來科學家們針對冰的表面光滑特性，提出了一個考慮上述「冰的表面分子類似半液體」和「摩擦生熱」的理論。即冰的表面上具有一層非常薄的液體層(其厚度大約為幾百奈米至一微米，約為一根頭髮百分之一的厚度)；這些液體成分當然是水，但是其特性並不像我們熟知的水，而是具有黏性以及彈性，就如油一般，因此比一般的水具有更好的潤滑效果。在當物體在冰的表面上運動時，液體層會產生熱量使表層冰分子融化，因而造成液體層厚度增加，從而降低冰的摩擦係數(即使冰變得光滑)。
藉由研究冰的光滑特性及原理，可以了解要如何去防止在冰上打滑，也可以利用相同的機制製作出新型的潤滑劑等。
最後，順帶一提，想要證明冰的表面上有一層薄的半液體層的話，有個小實驗可以做：將冰箱中的兩個或以上的冰塊快速堆疊至一起(過程中要避免讓冰塊任何部分達到熔點融化)，並放置幾個小時，最後會變成一大塊冰塊。
因為冰塊之間的接觸面，其上面的半液體層被凝固成冰，故會使多個冰塊結合成一大冰塊。若冰塊上面並無液體層的話，則在冰箱不管放置多久，都不會結合成一大冰塊。
Physical Review X 論文：https://journals.aps.org/…/abstra…/10.1103/PhysRevX.9.041025
圖一：史上最強人間製冰機艾莎女王跟妹妹安娜公主，大家好像最關心「她們不穿裙子改穿褲子了」？（來源：迪士尼）
圖二：水的三相圖，作者：Yinweichen，圖片來源：https://zh.wikipedia.org/…/File:%E6%B0%B4%E7%9A%84%E7%9B%B8…
圖三：固態冰表面的半液體層，作者：Davide Donadio，圖片來源：https://www.ucdavis.edu/ne…/ice-surface-melts-one-step-time/
參考資料:
Why is ice so slippery? ─ Phys.org
網站網址：https://phys.org/news/2019-11-ice-slippery.html
The slipperiness of ice explained ─ Phys.org
網站網址：https://phys.org/news/2018-05-slipperiness-ice.html
冰 ─ 維基百科
網站網址：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%86%B0
Ice Surface Melts One Step at a Time ─ UC DAVIS
網站網址：https://www.ucdavis.edu/ne…/ice-surface-melts-one-step-time/
Explaining Ice: The Answers Are Slippery ─ The New York Times
網址網址：https://www.nytimes.com/2006/02/21/science/21ice.html
The surprising science of why ice is so slippery ─ Vox
網站網址：https://www.vox.com/…/2018/2/13/16973886/why-is-ice-slippery
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