小时候，我们的父母不得不回答数百个问题：为什么天空是蓝色，为什么草是绿色，为什么沸水很热，为什么您不能只吃甜食，等等。 好奇心和对周围世界了解的渴望伴随着我们的一生。 某个人长大了，这些问题对他来说是次要的，然后有人开始寻找物理学，化学和其他科学领域的答案。 今天，我们将考虑巴黎大学的科学家进行的一项研究，他们决定更详细地研究冰的光滑性质。 我们从他们的报告中学到了科学家所做的有趣发现。 走吧
学习基础
冰和雪很滑，因为它们的摩擦系数很低。 如果一切都不同，那么花样滑冰，曲棍球，雪橇和其他冬季运动将不会那么令人兴奋，路人也不会在冰冻的人行道上滑倒，显示出任何滑手都会羡慕的空中旋转。
滑冰基于1到100 nm厚的水层，具体取决于温度。 这要归功于迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的工作。 但是，科学家们仍在争论这一层的性质，其发生的机理以及与其他物体的相互作用。
在相对较新的研究中，发现在冰上滑动的主要作用不是由于压力造成的摩擦，而是通过摩擦融化发挥作用：粘性耗散产生热量，将接触区域的温度升高至融化温度，从而形成水润滑膜。 该陈述是建立在理论基础和分子测量基础上的，因为在实践中，由于融化的水膜是通过滑动动态且自洽地产生的，因此很难进行研究，这使得冰和水膜之间的界面几乎难以进行详细研究。 而且由于界面对比度低，因此使用干涉测量的标准方法根本没有意义。
事实证明，水是一种如此简单的化合物，使许多科学家不知所措，他们通过研究冰表面水性质的实验方法得出了完全不同的结论。 例如，一种方法表明水膜的厚度为5-10微米，而另一种方法小于50 nm。 并且最近对局部温度的测量已经排除了滑动过程中界面水膜的完全熔化，这与上述说明（摩擦熔化）相矛盾。
乍看之下，无论看起来多么简单和透明，对冰属性的研究都变得复杂而混乱。 造成这种情况的原因是现有研究方法的效率低下，因此，在我们今天正在考虑的研究中，科学家们提出了一种全新的方法，该方法可以使我们分离各种物理成分。
科学家们能够同时研究毫米滑块（探针）在冰上的摩擦以及相应的纳米级融化水膜的界面力学性能。 为此，使用了改进的扫描原子力显微镜，该显微镜配备了具有纳米级精度的纳米。
准备实验
图片编号1图
1a显示了一个实验设置，其中包含用于原子力显微镜的双模式音叉。 该设备位于温度为-16°C至0°C且相对湿度为70-80％的冷室中。 作为研究中的样品，使用了从去离子水获得的厘米大小的冰块。
将微型硼硅酸盐玻璃球粘贴到铝音叉的齿之一上。 整个系统可以非常精确地建模为具有高刚度K T≈102 kNm
-1和Q因子Q T≈2500的负载弹簧系统（谐波振荡器）。然后，以音叉共振频率f T≃560 Hz进行电磁激励会导致球的横向振荡运动平行于冰面（
1a上的红色箭头）。
球体的振幅αT和相移ϕ
T由粘贴在一颗牙齿上的加速度计控制。 振荡球通过带有内置纳米分辨率位置传感器的压电元件与冰面接触。
接下来，发生球体的横向滑动，从而在冰上以幅度αT〜1–30μm和速度U =2παT f
T急剧滑动，通常等于0.1 ms
-1 。
锁相环通过调节激励频率f
T使系统保持共振，并且切向摩擦力F
F通过跟踪激励力F
em T来测量，该激励力F
E T根据F
F =（K
T / Q
T ）滑动时保持恒定的振幅。 （F
em T / F
em T， -1）xαT
.科学家们还使用了音叉本身的正常高阶振动（模式）：首先，激发第一模式，使其与共振频率f N≃960 Hz（K N〜103 kNm
-1 ，Q N〜200）相关联，并测量相应的力。
使用具有较小振荡幅度（50 nm）的小探针（球体），可以测量与探针接触的冰的法向机械阻抗，Z *
N = F *
N /αN（F *
N是作用在其上的复法向力范围）。
据科学家介绍，所描述的叠加技术（将一种复合物分离为几个简单的成分）使我们能够研究界面的机械特性，而沿冰的侧面的切向滑动实现了叠加流变学的原理（物质变形和流动性的实验研究）。 换句话说，这种设置允许同时进行摩擦学和样品与探针（冰和球）之间接触的流变学。
科学家声称，他们的新方法可以更精确地研究物体在冰上的滑动机理，并且还声称开发的设备具有很高的准确性和效率，这已通过对其他液体（硅油，离子液体，聚乙二醇1000等）的成功实验得到了证实。 .d。）。 这些液体的性质是先前确定的，因为当实验设置允许我们获得预先已知的结果时，这证实了其可操作性和有效性。
实验步骤
首先，进行球体的测试，这对于使探针和样品的表面相互对准是必要的。 然后将探针缓慢降低至样品以实现它们之间的接触（
1b ）：压痕深度δ增大，并且当探针开始在冰上滑动时摩擦力增大。 最大压痕应保持足够小的δ0〜3μm以防止耗散。
通过调整最大压入位置
δ0 ，将通常的保守阻抗Z'N设定为
Z'N0 。 通过将载荷固定在球体上来进行此调整过程，这是通过在压痕深度上对梯度Z'N进行积分获得的。 这样一来，您就可以更改给定负载（
1b ）的横向（横向）摩擦力。
此后，将球体从样品中移出，因此，摩擦力逐渐减小至零。
因此，有可能研究物体与冰在指定载荷下以及在不同接触点处的接触过程的所有方面。
实验结果
曲线
1c表示横向摩擦力F
T作为与αT相关的切线速度U的函数，范围为1 ... 30μm。 摩擦力在低速时不会消失，就像固体上的摩擦一样。 另外，摩擦力的衰减取决于速度：F
T ∝ U-γ，其中
γ〜0.3-0.5 。
还发现在固定速度下，摩擦力与法向载荷成比例。 这表示“硬样”摩擦，其系数为µ = 0.015。
进行了以下实验，但在不同温度下进行，这使我们能够确定摩擦力的温度依赖性（
1d ）。
在接近熔点的温度下，摩擦力逐渐增加。 值得注意的是，在最低温度下摩擦力最小。 对于该实验，发现该温度将低于-10°C。 但是，尚无法在所考虑的实验装置上研究较低的温度（低于-16°C）。
图片编号2研究的下一阶段是确定滑动过程中界面的机械性能。 测量了机械阻抗的实部（Z'N）和虚部（Z'N），它们与界面的弹性和耗散响应有关。
图
2a显示了在探头和样品接触处以及从样品中取出探头时正常机械阻抗的测量值。 在这种情况下，观察到一种类似于摩擦力（F
F ）的趋势：在Z'N0进行调节时达到平稳，然后在探针缩回期间逐渐减小。 通过构建1 / ZÑN耗散阻抗与探头去除距离（
2b ）的依赖关系的反函数来估算耗散。 该测量的重要方面是阻抗相对于抽头距离线性变化的事实。 仅在较大的缩进距离下，此过程才会稍微中断，并且会出现与线性行为的微小偏差。
对于不消失的滑动速度U，在取下探针期间，中间流体表现出粘性反应。 所观察到的1 / Z
N N与
d的线性关系也表明，粘度ηR与压痕深度无关。
还值得注意的是，流体动力膜h
hyd的厚度不是固定的，而是被独立地调节以获得固定值。 根据h
hyd和1 /
Z'N之间的线性关系，可以通过测量损耗模量Z'N来计算固定膜的厚度（h
0 ）
。在
图2a中可以看出，在控制模式下，Z''N达到平稳状态，表示为时间，样品与探头的接触速度以及法向载荷的函数。 因此，使用上述公式，可以得出恒定膜厚（
2b ）的值。
还可以假设流体动力学厚度将是实际薄膜厚度和滑移长度的总和（如果有）。 但是，考虑到冰的亲水性，由于流体动力厚度应被视为实际的膜厚，因此也可以预期滑移长度将极小（几纳米）。
在不同的温度，滑动速度和负载下进行的实验使得实际确定恒定的膜厚成为可能。
图2c示出了膜厚度如何根据切向速度变化。 以前认为速度的增加会导致厚度的直接增加，但是实际上发现实际上没有任何联系。 关于厚度和负载，观察到相同的弱耦合。 但是温度已经对薄膜厚度（
2d ）产生了显着影响：随着温度的升高，厚度从100 nm增加到500 nm。 另外，观察结果表明，在预熔融状态（淡蓝色
2d ）下，固定膜的厚度约为平衡膜厚度的4倍。
实验期间的另一个重要观察结果是滑移时界面膜的粘弹性流变性的鉴定。
图片编号3曲线
3a示出了弹性阻力1 / Z'N的倒置，其示出了在从样品中移出探针期间随着分离距离
d的增加的线性变化。
用不同变量（速度和温度）进行的实验表明，反弹性和耗散模量的线性外推在同一流体动力学零点处相交，误差为30％。 对于复杂的液体（聚合物和聚电解质），类似的情况非常普遍。
观测结果的计算表明，在相同的温度下（
3b中的橙色虚线），在滑动过程中测得的粘度ηR远远高于过冷（低于结晶温度）水的典型粘度。 粘度根据切向速度逐渐衰减，类似于摩擦力：ηR
，I ∝ U-
α ，其中α〜0.3-0.5（
3b ）。
最有趣的是，当接近熔点时，ηR会大大增加，在0°C（
4a ）时，ηR的值是水的2倍。
图片编号4根据研究人员自身的观点，上述所有观察结果均证实了融化水令人惊讶的复杂流变性。 首先，滑动过程中的界面水膜变成“像油一样粘稠”（科学家的话），即 其粘度是普通水的2倍。 这种观察使我们有可能了解当水被认为是极差的润滑剂时冰如何滑动。 因此，在冰面上的薄膜限制了在其上滑动的物体的压痕，从而避免了这两种固体（例如冰和溜冰鞋的刀片）之间的直接接触。
事实证明，与普通水相比，在滑动时在冰的表面上以膜形式形成的水是极好的润滑剂。
科学家决定再次测试他们的模型，但是增加了探头的疏水涂层，因为在冬季运动中，这种涂层（例如蜡）通常用于减少摩擦。
实验装置的不同之处仅在于，这次的球形玻璃探针涂有一层甲硅烷（SiH
4 ）。
图片编号5实际上，与以前的实验相比，摩擦力降低了10倍。 当达到熔点时，摩擦的降低变得更加明显。
发现摩擦的减小与流体动力膜厚度的改变（
5b ）无关。 有两个结论：首先，这消除了表面上有限流体动力滑动的影响，这在复杂液体中很常见； 其次，这证实了即使在探头干净（没有SiH
4涂层）的情况下，流体动力学厚度也不会受到滑动作用的影响。
与亲水探针相比，疏水探针的材料部分粘度最有可能降低。 当温度接近熔点（
5c ）时，这种影响会
加剧 。
进行的实验很好地描述了纳米过程对冰的宏观摩擦影响的各个方面。 但是，不可能将这样的结论应用于积雪，因为它是一种更为复杂的物质。 因此，它在滑行问题中的性质有待于将来研究。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
并非一切看起来都那么简单。 根据其作者的大胆声明，这项研究完全改变了我们对在冰面上滑动的机制以及目前发生的过程的理解。
使用比以前更准确的新研究方法，使我们获得了惊人的结果。 探头滑过冰的那一刻，覆盖在冰表面的水膜变得像油一样粘稠，从而防止了冰与探头之间的接触，并使探头滑过了表面。
科学家们认为，他们的工作不仅具有理论上的好处，可以使人们对环境有更广泛的了解，而且可以实际应用。 冰的自润滑性质导致产生和研究可以用作抗磨膜的柔软且相变的固体。
无论如何，现在我们知道了当我们滑冰或摔倒，在撒有雪的冰上滑倒，将垃圾桶向空中扔到第二层的高度时会发生什么（个人经验：）。
谢谢您的关注，保持好奇心，看着您的脚，祝您一周工作愉快！ :)
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