著者：黃姤

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很多人都有滑冰的經驗，或者至少有在冬天結冰的路面上走路的經驗，對於冰的光滑大家一定不陌生，但是至於它的成因，恐怕就不一定那麼清楚了，最簡單和直觀的一種說法--「冰」之所以光滑，是因為它的表面非常平。

其實對於「冰」的光滑性的來源很早以前就有一種說法認為是因為冰的表面有一層水膜，冰本身是有一點溼漉漉的，我們本來就有這樣的生活體會，正是這層水膜的存在起到了潤滑作用，對於這樣的一層水膜究竟有多厚？究竟它的組成是什麼？究竟它的性質怎樣？甚至對於它真的是否實質性的存在，或是對摩擦的成因有多大的貢獻，一直都是有爭議的。

直到來自ENS物理實驗室和動力實驗室的兩個團隊合作，他們開發出了一種新型的裝置，這個裝置很奇怪，有點像我們音樂當中使用的音叉，但是這個物理音叉不是用來聽聲音的，而是用來監聽水的厚度和水的狀態的，透過這一種奇妙的物理音叉，ENS物理實驗室和動力實驗室終於揭開了冰光滑的秘密。這種儀器的尺寸大概有幾釐米長，但是它非常的靈敏，能夠探測到奈米級的水冰的存在，藉助這樣的一套精密的探測裝置和獨特的探測方法，現在科學家們終於明白——冰的上面的確是有一層水膜的，但是這個水膜的厚度比原先預計的要薄得多，大概只有幾百奈米，最多到100微米以下，比理論計算的還要薄許多。

更加出乎意料的也是讓人大開眼界的是，這層膜不是簡單的水，相反這層水是非常粘稠的，如果水本身就是良好的潤滑劑的話，那很多機械就不用使用昂貴的機油了，用水可能就能解決相當一部分的問題，但其實水是公認的非良性潤滑劑，它的潤滑效果是很差的，因此僅僅是水膜的存在不足於提供冰變得非常光滑的解釋。

【冰水和碎冰的結合產物】

這層水膜極其的粘稠，而且裡邊有細小的冰晶的顆粒，也就是說這層水的特性是異常的，它不僅薄，裡邊還有大量的固體微結構，正是這層冰水和碎冰的結合產物，造就了薄薄的水膜，提供了強大的潤滑能力，細小的、可以滾動的冰晶顆粒就像是微型的軸承，把滑動摩擦變成了滾動摩擦，但是如果僅僅是堅硬細小的微顆粒，就能夠使一切摩擦變得光滑的話，那我們在許多的機械當中撒上一把細沙子不就行了，所以光是顆粒還不行，還要有水的存在，它提供了相應的流動性，這層粘稠的水裹挾著這些微軸承可以任意的流動，這更加增強了冰上薄薄水膜的潤滑性。

【雪花，為什麼是六角形的】

要想解答這個問題得從水分子的基本結構開始說起，雪花是水分子的結晶，也就是固體形態的水，也許你會問——冰箱裡的冰塊不也是水的固體形態嗎？為什麼它就不是六邊形的結構呢？

這是因為雪花是從零開始漸漸生長出來的晶體，它體現了水從極小的晶體核心逐漸向外伸展出來的樣子，你可以把它想象為一塊漂亮的、有對稱性的積木，而大塊的冰是許多這樣的積木擠壓變形而且雜亂地堆疊在一起的結果，當然就不能保持外觀上的對稱，從中心伸展出來的水的晶體為什麼就得是六邊形呢？它不能是五邊形嗎？

還真的做不到，因為水分子的天然結構已經決定了這一點。

水是由兩個氫原子和一個氧原子組成的，它們之間的結合要多虧電子對的拉手，化學上管這樣的電子對叫做共價鍵，同樣帶負電荷的電子會相互排斥，所以水分子裡面氫、氧原子外側的那些個電子也不是均勻排布的，它們會盡可能地相互遠離，這樣就讓氧原子一側的遠端顯示出微弱的負電性，而兩個氫原子遠端顯示出微弱的正電性，由此一個氧拉著兩個氫，它們沒有排成一條直線，而是形成了一個夾角。

在上世紀的20年代，科學家們利用X射線衍射技術確定出這個夾角是104.5度，這個角度在宇宙的任何角落的水分子裡都會保持不變，正是這個角度讓水分形成固體時必然呈現出六邊形的樣子。結晶是分子們隨著溫度的降低，越來越失去運動活性，漸漸地不願意動彈，相互靠近，拉起手來組成一個漂亮的三維網格，這就是晶體。水分子組成網格時，最中間一定會形成一個核心的六邊形，每個頂點恰好是一個水分子，這就是為什麼在這個六邊形的中心網格的基礎上，慢慢往外生長出來的，會是一個六角形雪花的原因。

但是細心的人可能會納悶，剛才不是說了嗎？兩個氫氧鍵之間的夾角是104.5度，那6組這樣的夾角拉手起來的中心網格應該是104.5×6，大約是627度，這並不是一個六邊形真正的幾何上的內角和720度，那怎麼就能說6個水分子拉起手來剛好就組成一個六邊形呢？

這個誤解是把水分子結晶時的網格想成了平面網格，但其實它是三維的，由於氫原子和氧原子端電性的微小差異，在三維空間當中，每一個水分子都是同時受到周邊多個水分子的影響，在中心當6個水分子想拉起手來時，它們並不是處在同一個平面，而是相互之間彼此有一個扭轉角度，這樣的空間搭配就可以組成一個穩定的固體網格，也就是我們看到的雪花晶體，從剖面上來看，它就是一個六邊形。

中央晶格在水蒸氣的包圍之中慢慢集聚起來，更多的水分子這個六邊結構就開始向外擴張，溫度、溼度這些條件的不同都會影響擴張的圖案，由於水分子非常小，因此在每一個瞬間，可以認為當前時刻這個水分子的6個方向所處的環境基本是相同的，所以它們就在各個方向上有對稱地伸展圖案，但在不同的時刻，雪花結晶條件一直是在改變的，所以這片雪花從整體上來看又是變化多端的。

【每片雪花擁有獨特的“指紋”】

加州理工大學物理學教授肯尼斯·利布希特曾經對雪花進行過深入研究和觀察，他總結說——“在零下二度附近時，雪花會成長為薄板的形狀，而在零下5度附近，它們又形成了細長的圓柱或者是針狀結構，等到了零下15度附近，雪花又會再度變得非常的薄。”

沒有人能夠準確的解釋，為什麼相對較小的溫度的改變就會引起雪花結構劇烈的變化。

世界上沒有兩片完全相同的雪花，1998年曾有一位研究者南希·奈特聲稱，他在顯微鏡當中發現了兩片一模一樣的雪花，但這也許只是看起來相似而已，因為即便是外觀接近，在自然界當中，每3000個氫原子當中就會出現一個氫的同位素·氘，一片雪花當中含有數以百億百億計的氫原子，那也就會有大量的氘元素，可是氘的分佈完全是隨機的，沒有辦法預測，這一點就註定了任何兩片雪花之間不可能毫無區別。

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