冰塊為什麼滑溜溜?科學家用新的方法揭開謎底
由馬德里康普頓斯大學領導的一個國際研究小組利用計算機模擬,在原子水平上研究了在冰上滑動的固體的運動。該模擬證實了在冰的表面存在一個自我潤滑層。根據馬德里康普頓斯大學(UCM)領導的國際研究,當與固體物體接觸時,冰的表面會融化並產生一個自我維持的潤滑層。這種潤滑層使冰更滑,因此更有可能導致涉及滑冰或交通事故。
這項研究發表在《美國國家科學院院刊》上,它涉及使用計算機模擬來分析固體物體在冰面上的原子級運動。
UCM物理化學系的研究員Luis González MacDowell強調說:”我們對冰分子如何集體組織以使其具有特殊的潤滑能力的分析為我們提供了對這一過程的特殊見解,而這是通過常規實驗無法實現的,因為對厚度為十億分之一米的潤滑層進行實驗觀察是非常困難的。”
冰的濕滑特性在某些情況下被用於休閒目的(如滑冰),而在其他情況下則被作為一種運輸手段。該專家表示:”了解冰的這一廣為人知的特性的來源非常重要,這既是為了提高奧運選手的成績,也是為了確保冬季的車輛安全。”
除了UCM,這項研究還涉及馬德里自治大學(UAM)和波蘭盧布林的瑪麗-居里-斯克沃多夫斯卡大學(MCSU)。
科學家們花了兩個世紀的時間來研究為什麼冰是滑的,以及是什麼導致在冰上形成液體層。幾十年來,包括邁克爾-法拉第、詹姆斯-湯姆森、奧斯本-雷諾茲和菲利普-布勞登在內的人物都提出了不同的假設。
然而,這項研究已經證明,它們的假設實際上都是相互兼容的,並且同時運作。UCM的化學家指出:”事實上我們發現,冰的滑性的關鍵原則是法拉第提出的表面融化現象;壓力引起的逐漸融化,讓人想起湯姆森的假說,以及鮑登提出的摩擦引起的融化。”
這些因素的結合使冰的表面有一個特殊的自我修復的潤滑層。隨著壓力的增加,潤滑所需的液體從對立面之間被排出,使它們直接接觸。在冰的低溫作用下,勒沙特列原理髮揮作用,當潤滑層被壓力驅走時,冰本身會融化並修復表面的損失,MCSU的研究人員Lukasz Baran表示,他在UCM的六個月實習期間研究了該模擬技術。
除了防止體育和交通事故之外,這項研究的結果還可以應用於設計其他系統中更好的潤滑劑。
“重要的是要記住,全世界產生的能量有一半以上是通過摩擦損失的。改進潤滑過程將意味著在燃料、金錢和環境影響方面的巨大節約,”墨西哥國立自治大學尼古拉斯-卡布雷拉研究所的研究員巴勃羅-倫巴特總結道。