互动科普

新的研究表明，即使完全在冷凝温度以下，冰表面的水相可能影响到从室内滑冰场的滑行到暴雨云的电现象等各个方面。

今年第一次天气预报提醒人们由于寒潮将至，每一个家庭应注意防护最容易受到损坏的水管。人们知道防止水管中的水冷凝可以避免水由液态转变为固态的过程中膨胀造成的破坏。但是许多人并不知道他们同时也防止了因为冰的表面仍保持液态而产生的一种更大的压力。

水的冷凝和冰的融化是物质状态变化中最普通而又是最富戏剧性的事例。然而这些变化发生的最基本的问题长久以来一直困扰着研究这一现象的物理学家和化学家。在过去的15年里，研究者在对一种很薄的水相(仅有几个分子的厚度)的研究中找到了一些答案。

准液相——由于表面融化过程而形成的固体冰的一种自然状态——既带有冰的结构特点，又有液体的流动特点。尽管这仅仅是十分微小的层面，但它在融解和冷凝的基本原理中扮演着重要的角色，而且在许多环境问题中也是这样。这一光滑的表面层既是流水的通道，又是电荷的载体，它拥有巨大的力量，既可以推走地面的砾石，又可以产生空中的闪电。

雪球和冰鞋

人的第一个反应可能是想象一个固体被加热，从表面往内的熔化。一块放在炉子上的黄油和烙铁下一团的焊锡将从表面开始液化，这是由于物体表当听到“表面融化”这个术语，面温度比内部高，但是表面融化专门指的是一种大明显的现象：即使固体内外都具有同样的温度，它也会形成一层包裹它的液相，其温度低于熔点好几十度。

为了便于理解表面融化现象，想象你置身于一个冰晶内部，在那儿水分子呈固定的重复排列方式，形成一个刚性的点阵。当你从晶体中心向表面运动时，你会周期性地遇到水分子，每一个水分子都与周围四个相邻的分子形成整齐的排列。然而，当你接近晶体的表面，晶格将会因为最外层分予延伸到围绕晶体的非结构性的空气中而变形。这些处于表面的分子固定其置的化学键是最少的，所以它的受热后振动的猛烈程度较晶体内部的分子大。当达到一个足够高的温度(但仍然在正常的熔点以下)，分子开始形成一层类液体层并在其中流动。

在冰的表面存在着一层薄薄的液体。这已不是一个新的观点，但诌多年来人们误解了它的起因。任何打过雪仗的人都知道，要有效地捏一个雪弹，雪必须是湿的。干雪是无法捏拢的。那么海滩上的沙总是无法捏成一个沙球又是怎么一回事呢?十七世纪三十年代法国科学家和哲学家Rene Deseartes曾写下他对冰为什么粘在一起的观察。大约200年过后，英国物理学家Michael Faraday在认真思考了上述问题带来的疑问后，开始长达二十年的对雪和冰的仔细研究1842年Faraday写到：“当湿雪被挤压在一起时，它就冻结成一团(由于其中的水)，并且不会像同样潮湿的沙或其他物质那样散开。”Faraday的日记摘录记载了对我们今天所知的表面融化现象的首次研究。在他看来，必定是一层包裹在雪花上的水冻结后将它们粘合在一起。他得出结论：这一层是冰在刚好低于其融点时的自然现象。

Faraday和他的同事、英国物理学家John Tyndall各自独立地进行了实验，得出结论证明一至少对他们来说一平衡状态下的冰的表面上存在一层液态膜。但与他们同时代的一些有很大影响的人物则不信服他们的说法。1849年，James Thompson和他的兄弟William Thompson(他后来被封为开尔文勋爵)提出了不同的看法，他们认为这一薄的水层仅是由于与其他物质的接触增加了接触面的压力、使融点暂时下降而形成的。分子在水中比在冰中挤压得更为紧密，所以尖锐冰刀的挤压使得固体冰向着液体形态更靠近了一步。

这种叫做压力融化的现象成为冰为何滑溜的公认的解释，在今天的教科书上仍可看到这样解释的内容。然而，简单的计算表明压力融化不能解释这一平滑表面，除非温度接近于冰的正常融点。一个人借助于常规的冰鞋滑行穿过冰封的湖面，降低冰的融点不超过两三度。所以如果压力融化是仅有的原因，滑冰将只能在温度达到冰的融点附近才能进行，而这时到冰封的湖面上滑冰却是不安全的。为了解释这些不一致，剑桥大学的Frank P. Bowden和T．P．Hughes在1939年提出在低温下一个不同的因素在起作用：冰和冰刀之间的摩擦产生足够的热形成一个薄的水层。

压力融化和摩擦生热100多年来获得科学家广泛关注，但是这些理论既没有解释(正如任何一位滑冰者将告诉你的那样)为什么在冰面上静止站立是如此困难。也不能解释冷冻膨胀的动力学或暴雨云的起电现象这两种由冰引起的重要的环境现象。

潮湿的表面

虽然物理学家根据Faraday的发现在本世纪五十年代前已预示有表面融化存在，但直到八十年代中期才有人真正观测到融化表面上的微观液相。1985年，阿姆斯特丹原子和分子物理研究所Joost M．W. Frenken和J．Friso Vander Veen在把铅加热到接近其熔点328摄氏度时将一束离子射向铅晶体。根据离子向后散射的方式，两位研究者推断，刚性晶格表面的原子在仅仅318摄氏度时无序状态在增加，类似于流体中的原子。当温度继续上升时液态层的厚度已逐渐增大，最终使晶体由外及内熔化。1986年朱大明(音译)华盛顿大学博士生和我们中的一位(Dash)发现氩和氖在低于它的正常的融点下产生一个逐步的相变。从那以后，研究者已证明实际上所有固体都具有表面融化现象。

冰也是如此。一些研究者在实验中已注意到了冰的表面融化，但他们关于水膜厚度以及厚度与温度之间的关系的观察结果并不总是一致的。这些差异可能部分来源于实验技术的不同而产生的不同的结果。例如，采取光反射的光学技术记录到的固体冰与液相层的密度差异。另一种检测晶体表面的方法是通过X射线散射来实现的。

即使是使用同一种仪器，另一种可能增大实验结果差异的情况是液态膜层对溶解于水中的杂质非常敏感。空气中的杂质(主要是无机盐和二氧化碳)可能进入仪器中，并在冰的凝固过程中结合在其表面。我们刚刚开始分析这些因素对表面融化的影响，但我们中的一位(Wett laufer)最近进行的理论研究已表明杂质增加表面融化。结果证明，固态冰会有效地排斥杂质，因为杂质与品格不能配合。例如，溶解盐因为可以降低水的融点和液体的自由能，使得水相膜增厚。

在Faraday第一次观察到冰层表面的液相层现象的150年后，我们仅仅是开始发现造成冰的物理特性(如滑溜性、粘附性及其破坏力量)的根本物理机制。

许多问题仍然还有待研究。我们所做的工作是更好地抓住了冰的微观物理特性，因这一特性有助于我们进一步它对环境的影响。探索冻胀和云层带电的分子起因是两条可能的研究途径