冰為什麼那麼光滑，人們的研究能否明白，雪花長得都一樣嗎？
你認為雪花是什麼
導語
：許多人都有過溜冰的經歷，或者至少有過在冬季結冰的道路上行走的經歷，對冰面的光滑大家
肯定
並不陌生，但關於其原因，恐怕未必如此清楚，最簡單、最直觀的說法，即冰的
光滑
，是因為它的表面很平滑還是其他的什麼原因？
01
冰的表面為何如此光滑
根據我們對摩擦力一般原理的解釋：
摩擦
之所以存在，是因為它的微細表面有許多類似於微小鋸齒的結構，這些
微小
而不穩定的鋸齒在相對運動時產生阻力，這就是摩擦的根本原因。
事實上，關於“冰”的光滑性來源，很早以前就有一種說法，認為是因為冰面上有一層水膜，冰本身也是有一點溼的，我們本來就有這樣的生活經驗，正是這層水膜的存在才起到了潤滑的作用，到底有
多
厚
呢？其具體構成是什麼？到底是什麼性質的呢？即使它是否真正存在，或者在產生
摩擦
的原因中所起的作用如何，也是有爭議的。
02
雪與冰的特性
1、儀器對於它們的解釋
在來自ENS物理實驗室和動力實驗室的兩個
小
組合作
之前，他們已經開發出一種新裝置，這種裝置非常奇怪，有點像我們在音樂中使用的音叉，但它並不是用來聽聲音的，而是用來監聽水的厚度和水態的，透過這種神奇的音叉，ENS物理實驗室和動力實驗室終於揭開了冰層光滑的秘密。這臺儀器的尺寸大約有幾釐米長，但它的靈敏度很高，可以檢測出奈米級別的水冰，
藉助
於這套精密的檢測裝置和獨特的檢測方法，現在科學家們終於明白了——冰面上確實有一層水膜，但這層水膜比他們原來預計的要薄得多，大約只有幾百奈米，最大可達100微米，比理論計算的還要薄很多。
更令人
意外
的是，更令人大開眼界的是，這層膜並不是簡單的水，而是非常粘稠的一層水，如果水本身就是好的潤滑劑，那麼許多機器就不必使用昂貴的機油，用水也許可以解決相當一部分的
問題
，但是實際上水被認為是非良性的潤滑劑，它的潤滑效果很差，因此，僅僅是水膜的存在不足以提供冰面變得非常光滑的原因。
2、冰水混合物
這種水膜非常粘稠，並且裡邊有很薄的冰晶顆粒，也就是說這種水膜的特性是異常的，它不僅很薄，裡邊也有很多固體微
結構
，正是這種冰晶顆粒與碎冰的結合，形成了薄薄的水膜，提供了很強的潤滑能力，細小的，可滾動的冰晶顆粒就像一個微型軸承一樣，將滑動摩擦轉化為滾動
摩擦
，但如果僅僅是堅硬的微小顆粒，就能使所有的摩擦都變得平滑，那麼我們在很多機械中都撒上一小撮細沙就沒有問題了，所以光是微粒也沒有問題，因為水的存在就提供了相應的流動性，這種微粒狀的水膜能讓這些微粒能自由地流動，這就更加強了冰上薄水膜的潤滑性。
03
雪花為什麼是六角的
我們首先需要了解的是水分子的基本
結構
，雪花是水分子的結晶，即水的固體形態，你可能會問：冰箱裡的冰塊不也是水的固體形態嗎？那為什麼不用六角形來構造？
那是因為雪花是由零開始逐漸增長的
結晶
，它代表著水從非常小的結晶核逐漸向外延伸的樣子，你可以把它想象成一個美麗的、對稱的積木，而大的冰塊則是由許多這樣的積木擠壓變形並堆積在一起的
結果
，當然，冰塊的外觀並不對稱，而從中央延伸出來的水的結晶為什麼要變成六角？那可能是五角吧？現在也無法做到，因為水分子的自然結構已經決定了它的存在。
水中有兩個氫原子和一個氧原子，由於電子對的牽手作用，水可以把化學上稱為共價鍵，同樣的帶負電荷的電子互相
排斥
，所以水分子內部的氫原子和氧原子外部的電子也不是均勻排列的，它們儘量
遠離
，這使得氧原子一側的遠端呈現微弱的負電性，而兩個氫原子的遠端呈現微弱的正電性，由此一個氧吸引著兩個氫原子，它們不是排成一條直線，而是形成一個夾角。
20世紀20年代，科學家利用X射線衍射技術
確定
，這個夾角為104。5度，在宇宙任何角落的水分子中，這個角都保持不變，因為它的角度使水分形成固體時，必然呈現六邊形。晶化是分子在溫度
下降
時，逐漸喪失運動活性，不願移動，逐漸彼此靠近，拉近，形成美麗的三維網格，即晶化。形成網格時，水分子在網格的最中央形成一個六角核心，每個頂點正好是一個水分子，這就是為什麼在這個六角核心的基礎上，會有一片六角雪花的原因。
但仔細的人可能會
疑惑
，剛才不是說過嗎？雙氫氧鍵之間的夾角為104。5度，那麼6組這樣的夾角拉起來的中心網格應該是104。5×6，約為627度，這不是一個六邊形真正的幾何
形狀
，內角為720度，那麼怎麼能說6個水分子拉起來就構成了六邊形呢？
這一錯誤
觀念
認為，水分子結晶時，每個水分子都同時受到周圍多個水分子的影響，而實際上，水分子是三維的，因為氫原子和氧原子的端電性存在著很小的差異，在三維空間中，每個水分子同時受到周圍多個水分子的影響，而中心處的6個水分子，則不是處於同一平面，而是彼此有一個
扭
角
，這樣，空間組合就能形成一個穩定的固體網格，即我們所見的雪花晶體，從剖面上看，它是一個六邊形。
曾對雪花進行過深入
研究
和觀察的加州理工大學物理學教授KennisLibrary總結道：“在零下二度的地方，雪花會變成薄片的形狀，而在零下五度的地方，雪花會變成細長的柱形或針形結構，等到零下十五度的
地方
，雪花會再次變得很薄。
結語
：世上沒有兩片完全相同的雪花，即使人們感覺它們都是一樣的，但是當我們將它放在顯微鏡下的
時候
，就會發現每一片雪花都有其獨特的外表與形狀，它們呈現給人們的是多姿多彩的雪花
世界
。
