文／幻月（東海大學應用物理學系四年級）

最近愈來愈冷了，雖然台灣只有少數場合可以溜冰，但今天就來聊聊溜冰背後的科學！

從冰箱裡拿出來的冰塊，粗粗硬硬的，顯然不適合拿來「溜」，不過想當然爾，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。但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。另一派解釋是：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。

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在原子力顯微鏡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（一根頭髮1%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。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）。

最後，順帶一提，有個小實驗可以證明冰塊表面有半液體層：將冰箱中的兩個或以上的冰塊快速堆疊至一起，並放置幾個小時，最後會變成一大塊冰塊。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。