无论是霜还是光滑、透明的冰块，冰都会自发地甚至相当牢固地粘附在许多固体表面上。然而，任何在冬季人行道上打滑的粗心人都可以证明，冰也可能非常滑。事实上，冰既粘又滑。
这种多功能性长期以来一直困扰着科学家。首先，150多年来，他们一直试图破解冰的光滑性背后的秘密。其中包括开尔文勋爵和迈克尔·法拉第等著名物理学家。后者以其在电磁学方面的工作而闻名，他是第一个设想存在一层薄薄的液态水覆盖冰的人，即使温度远低于0°C。当时，他推断固体物体与表面层的接触促使其充当润滑剂，大大减少了冰上的摩擦。一个多世纪后，实验证实了这一液体层的存在。
滑溜溜的事
回答“为什么冰很滑?”的问题。我们首先需要了解冰冻表面上薄薄的一层液态水是如何形成的。
由于水在液态时比在冰态时密度更大，长期以来人们一直认为冰面的融化与过压有关，例如，由于滑冰者下方的小表面积上的重量他的溜冰鞋。通过进一步压缩冰，滑冰者会使冰融化，使其变得液态且光滑。
其他人认为，当物体在冰上移动时，热量会通过摩擦释放，导致表面融化。就像你摩擦双手取暖一样，当你将一种固体与另一种固体摩擦时，它们就会变热。
然而，这两种机制并不能解释为什么冰在-20°C以下仍然保持光滑。在这样的温度下，需要相当大的压力——大约是溜冰鞋施加的500倍——才能使其融化。
20世纪60年代，也就是法拉第之后一个多世纪，JWTelford和JSTurner慢慢地将一根电线拉过“冷”冰(低于-20°C)，结果发现它在低至-35°C的温度下仍然很滑，此时热量会减少。摩擦释放的能量不再足以融化冰。
法拉第直觉产生后大约一个世纪，我们才能够通过测量冰表面的特性而不是体积来间接证明该液体层——在这种情况下，它吸收碳氢化合物蒸气的特性与冰的吸收特性相当。液态水!
通常用于研究晶体结构的质子或X射线散射技术使得估计一纳米到几百纳米的厚度成为可能。一些研究甚至表明，当温度接近0°C时，该厚度会发生变化。
最近，模拟使得更好地表示该液体层的结构成为可能。随后，该层被称为“伪液体”或“准液体”，以区别于真正的液相。此类理论工作表明，在该表面层中，分子能够更自由地移动，证实了其作为润滑剂的作用。然而，其分子结构与液态水的分子结构并不完全相同，这对该伪液体层的机械性能产生影响。
最近的一项研究表明，分子的个体迁移率与宏观摩擦系数之间存在很强的相关性(系数越低，越容易滑动)，这表明对于滑动而言，层的厚度并不那么重要而是分子的个体运动。摩擦系数的最小值是在-7°C时测得的，被称为滑雪者和滑冰者的最佳温度。
其他研究使用纳米探针(原子力显微镜的尖端)进入伪液体层的核心。通过振动连接到极其精确的力传感器的尖端，测量尖端与层中液体之间的摩擦力，作者测量到这种液体的粘度比液态水高50倍，并且还具有弹性(一种特性)与固态更相关)。这种粘度与食用油的粘度相似，使伪液体层成为极好的润滑剂。
综上所述：冰之所以会滑动，是因为其表面形成了约1至100纳米厚的液体层。它不同于液态水的机械特性(粘度、弹性)，以及构成它的分子的流动性(远大于固体冰)，赋予了它卓越的润滑特性。
冰为什么会粘住?
然而，尽管进行了70年的实验，冰的粘性仍然让科学家感到困惑。在后者中，科学家倾向于使用一个相当简单的套件：连接到力传感器的活塞推动一块冰块，冰块本身粘在固体物体上。当冰块脱离时，传感器记录的力突然变为零，并测量脱离之前的最大值。但这些结果有时表现出相互矛盾的趋势，而且分散程度相当大。
最近对此主题的评论得出的结论是，冰的粘附力“不仅取决于基材的化学成分、表面粗糙度、机械和热性能，而且还很大程度上取决于温度，甚至取决于测量粘附力的实验装置””。
更准确地说，当我们探索过去60年有关该主题的文献时，我们注意到冰粘附到固体上的强度很大程度上取决于-20°C到0°C范围内的温度(冰更难粘在较冷的固体上)。至于表面粗糙度的作用，它是矛盾的：对于某些固体(特别是金属)，冰更牢固地粘附在较粗糙的基材上，而在某些塑料上则相反......
最后，在化学水平上，液态水可能比其他表面更容易在某些表面上扩散。例如，水在干净的玻璃上扩散得很好，而某些表面是疏水性的，例如聚四氟乙烯。
最近的一项研究表明，液态水在固体表面扩散得越多，附着在该固体上的冰就越多。相反，对液态水亲和力很小的表面对冰的粘附力也很小。
为什么水的扩散和冰的附着力之间存在这种关系?首先，为了使冰粘附在冷固体上，液态水必须能够在与固体接触时冻结。这是一个任何人都可以做的简单实验：
将金属板放入冰箱或冰块托盘中。
取一块冰块，将其放在盘子上，而无需将整个冰块从冰箱中取出：它不会粘在一起。
取另一个冰块，让它在室温下稍微融化(例如，从冰箱中取出几秒钟)，然后将其放在冷板上。这次粘住了!
我们可以得出什么结论?直观上，水对表面的亲和力越大，液态水就越容易渗入固体表面的粗糙度和缝隙中，增加其与凝固后的冰的接触面积，从而巩固粘附力。该实验还证明了液态水作为粘合剂的作用。当您使用传统的粘合剂(例如液体胶水)将两个部件连接在一起时，只有当部件固化(通过胶水中溶剂的蒸发)时，才会产生牢固、确定的粘合力。当液态水与冷固体接触时冷却并凝固时，也会发生同样的情况。然后，冷冻水层扮演其中一种固体的角色。
怎样才能让冰变得不那么粘呢?
我们无法详细解释冰的粘附力，但我们可以尝试降低其强度。使用防水处理的想法自然而然地出现了，但随着时间的推移，这些处理方法并不十分有效，并且可能会产生与预期相反的效果。更有前景的解决方案包括在表面铺上一层薄薄的油或水凝胶，但这些层在大面积上的稳定性仍然存在问题。
另一种方法是使用主动除冰方法。其中一种技术是表面超声波，它可以在固体表面产生“微地震”并导致冰破裂。我们目前正在MSC实验室研究这种方法。
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