关于冰的五个有趣事实

关于冰

哦,冰。我们非常欣赏的精彩材料。然而，我可能只是把爱延伸得更深一点。让我们来看看冰背后的一些令人惊讶的科学，这些科学只会增加冰的多样性和奇迹。

1.燃烧的冰

像冰着火这样的事情怎么可能发生呢?进入水合物或冰结构的奇妙世界，它们可以捕获元素。它们通常会形成一个笼状结构，被困物质位于中心。如果你碰巧有甲烷在里面，我们有甲烷水合物，任何有甲烷经验的人都会告诉你它是易燃的。最重要的是，甲烷在压力条件下被困住，所以当你在正常条件下有水合物时，固体甲烷以气体的形式释放出来，体积扩大了近160倍。这种不稳定性导致甲烷水合物难以研究，但作为一种能源，科学家们却很感兴趣。

但是来自NTNU纳米机械实验室的研究人员以及来自中国和荷兰的研究人员使用计算机模拟来解决这个问题。他们发现，每种水合物的大小会影响其处理压缩/拉伸的能力，但并不像你想象的那样。事实证明,小在一定程度上，水合物能更好地处理这些压力。15到20纳米的水合物显示出最大的应力负荷，大于或小于该值的水合物则处于劣势。至于在哪里可以找到这些甲烷水合物，它们可以在天然气管道中形成，也可以在大陆冰架中自然形成，也可以在海洋表面以下形成(张“揭露”部)。

2.冰冷的表面

任何在冬天接触过的人都知道在冰上滑倒的危险。我们用材料来解决这个问题，要么融化冰，要么给我们额外的牵引力，但有没有一种材料可以直接阻止冰在表面形成呢?超疏水材料在排斥水方面非常有效，但通常是由氟化物材料制成的，这对地球来说并不好。

挪威科技大学的研究开发了一种不同的方法。他们开发了一种材料，可以让冰形成，但在微到纳米尺度上的轻微断裂下很容易脱落。这来自于表面的微观或纳米级凸起，这些凸起促使冰在压力下破裂。现在将其与表面上类似的孔结合起来，我们就有了一种鼓励断裂的材料(张“停止”)。

3.侧滑

说到滑，为什么会这样?嗯，这是一个复杂的话题，因为所有不同的(错误的)信息都在流动。1886年，约翰·乔利(John Joly)提出理论，表面与冰的接触通过压力产生足够的热量来产生水。另一种理论预测，物体之间的摩擦形成一个水层，使摩擦表面减少。哪一个是正确的?

Daniel Bonn(阿姆斯特丹大学)和Mischa Bonn (MPI-P)领导的研究人员最近的证据描绘了一幅更复杂的画面。他们观察了从0到-100摄氏度的摩擦力，并将光谱结果与理论结果进行了比较。事实证明，确实有两个表面是一层层的水。我们有水通过三个氢键附着在冰上，还有自由流动的水分子，这些水分子是由下层水的“热振动”提供动力的。随着温度的升高，这些较低的水分子获得自由，成为最上层的水分子，热振动导致更快的运动(Schneider)。

4.无定形冰

当水冷却到足以使分子形成固体时，冰在0摄氏度左右形成。事实证明，这是正确的，只要存在扰动，使多余的能量被分散，使分子足够慢。但是如果我让水保持静止，我可以让液态水在摄氏温度以下存在。然后我可以搅动它产生冰。

然而，这不是我们习惯的那种。常规的晶体结构消失了，取而代之的是类似玻璃的材料，固体实际上只是紧密的(紧密)液体包装。在那里是冰面上有大面积的图案，使其高度均匀。普林斯顿大学、布鲁克林学院和纽约大学对8000个水分子进行的模拟揭示了这种模式，但有趣的是，这项工作暗示了这种模式两个水格式-高密度和低密度品种。每一种都会形成独特的无定形冰结构。这样的研究可能会提供对玻璃的深入了解，玻璃是一种常见但被误解的材料，它也具有一些无定形特性(Zandonella, Bradley)。

5.灵活的冰

虽然这看起来很奇怪，但微小的冰可能具有一定的弯曲性。浙江大学的研究人员能够制造出直径在10微米到800纳米之间的晶体冰纤维。灵活性的关键在于这些晶体的纯度。冰的结构通常不像我们想象的那么有规律，这导致了裂缝和弱点。但这些冰晶在这些断层中位置较低，因此能够承受比我们所习惯的更大的压力。

制造方式也起了作用:在零下50摄氏度的温度下，用一根单原子厚的钨针形成了冰，并施加2000伏电压以缓解水的扩散。一些证据表明，这种类型的晶体可能是自然形成的，比如南极洲的拉森C冰架，它似乎承受了比预期更大的压力。这种特殊构造的机制是如何发生的仍然悬而未决(Conway)。

工作引用

布拉德利,大卫。“玻璃不平等。”Materialstoday.com．Elsevier Ltd. 2017年11月6日。2019年4月10日。

卡罗琳,康威。《当破冰不是那么简单:柔性冰晶现象》dartmouth.edu．《达特茅斯本科生科学杂志》，2021年8月8日。2022年9月28日。

能源部。甲烷水合物。Energy.gov．能源部。2019年4月10日。

施耐德,基督徒。《解释冰的滑溜性》Innovaitons-report.com．创新报告，2018年5月9日。2019年4月10日。

Zandonella,凯瑟琳。“对‘无定形冰’的研究揭示了玻璃中隐藏的秩序。”Innovations-report.com．创新报告，2017年10月4日。2019年4月10日。

张、倪志亮。“通过打碎冰来解决问题。”Innovations-report.com．创新报告，2017年9月21日。2019年4月10日。

——"揭开燃烧冰的秘密"Innovations-report.com．创新报告，2015年11月2日。2019年4月10日。

©2020 Leonard Kelley