著者：黄姤
@天体生物学 / @太空生物学
很多人都有滑冰的经验，或者至少有在冬天结冰的路面上走路的经验，对于冰的光滑大家一定不陌生，但是至于它的成因，恐怕就不一定那么清楚了，最简单和直观的一种说法--「冰」之所以光滑，是因为它的表面非常平。
按照我们对于摩擦力一般性的解释：摩擦之所以会存在，是因为它的微表面上有许多细小的锯齿一样的结构，这些起伏不平的微型锯齿会在相对移动时形成阻力，就提供了摩擦的基本来源。
其实对于「冰」的光滑性的来源很早以前就有一种说法认为是因为冰的表面有一层水膜，冰本身是有一点湿漉漉的，我们本来就有这样的生活体会，正是这层水膜的存在起到了润滑作用，对于这样的一层水膜究竟有多厚？究竟它的组成是什么？究竟它的性质怎样？甚至对于它真的是否实质性的存在，或是对摩擦的成因有多大的贡献，一直都是有争议的。
直到来自ENS物理实验室和动力实验室的两个团队合作，他们开发出了一种新型的设备，这个设备很奇怪，有点像我们音乐当中使用的音叉，但是这个物理音叉不是用来听声音的，而是用来监听水的厚度和水的状态的，通过这一种奇妙的物理音叉，ENS物理实验室和动力实验室终于揭开了冰光滑的秘密。这种仪器的尺寸大概有几厘米长，但是它非常的灵敏，能够探测到纳米级的水冰的存在，借助这样的一套精密的探测设备和独特的探测方法，现在科学家们终于明白——冰的上面的确是有一层水膜的，但是这个水膜的厚度比原先预计的要薄得多，大概只有几百纳米，最多到100微米以下，比理论计算的还要薄许多。
更加出乎意料的也是让人大开眼界的是，这层膜不是简单的水，相反这层水是非常粘稠的，如果水本身就是良好的润滑剂的话，那很多机械就不用使用昂贵的机油了，用水可能就能解决相当一部分的问题，但其实水是公认的非良性润滑剂，它的润滑效果是很差的，因此仅仅是水膜的存在不足于提供冰变得非常光滑的解释。
这层水膜极其的粘稠，而且里边有细小的冰晶的颗粒，也就是说这层水的特性是异常的，它不仅薄，里边还有大量的固体微结构，正是这层冰水和碎冰的结合产物，造就了薄薄的水膜，提供了强大的润滑能力，细小的、可以滚动的冰晶颗粒就像是微型的轴承，把滑动摩擦变成了滚动摩擦，但是如果仅仅是坚硬细小的微颗粒，就能够使一切摩擦变得光滑的话，那我们在许多的机械当中撒上一把细沙子不就行了，所以光是颗粒还不行，还要有水的存在，它提供了相应的流动性，这层粘稠的水裹挟着这些微轴承可以任意的流动，这更加增强了冰上薄薄水膜的润滑性。
要想解答这个问题得从水分子的基本结构开始说起，雪花是水分子的结晶，也就是固体形态的水，也许你会问——冰箱里的冰块不也是水的固体形态吗？为什么它就不是六边形的结构呢？
这是因为雪花是从零开始渐渐生长出来的晶体，它体现了水从极小的晶体核心逐渐向外伸展出来的样子，你可以把它想象为一块漂亮的、有对称性的积木，而大块的冰是许多这样的积木挤压变形而且杂乱地堆叠在一起的结果，当然就不能保持外观上的对称，从中心伸展出来的水的晶体为什么就得是六边形呢？它不能是五边形吗？
还真的做不到，因为水分子的天然结构已经决定了这一点。
水是由两个氢原子和一个氧原子组成的，它们之间的结合要多亏电子对的拉手，化学上管这样的电子对叫做共价键，同样带负电荷的电子会相互排斥，所以水分子里面氢、氧原子外侧的那些个电子也不是均匀排布的，它们会尽可能地相互远离，这样就让氧原子一侧的远端显示出微弱的负电性，而两个氢原子远端显示出微弱的正电性，由此一个氧拉着两个氢，它们没有排成一条直线，而是形成了一个夹角。
在上世纪的20年代，科学家们利用X射线衍射技术确定出这个夹角是104.5度，这个角度在宇宙的任何角落的水分子里都会保持不变，正是这个角度让水分形成固体时必然呈现出六边形的样子。结晶是分子们随着温度的降低，越来越失去运动活性，渐渐地不愿意动弹，相互靠近，拉起手来组成一个漂亮的三维网格，这就是晶体。水分子组成网格时，最中间一定会形成一个核心的六边形，每个顶点恰好是一个水分子，这就是为什么在这个六边形的中心网格的基础上，慢慢往外生长出来的，会是一个六角形雪花的原因。
但是细心的人可能会纳闷，刚才不是说了吗？两个氢氧键之间的夹角是104.5度，那6组这样的夹角拉手起来的中心网格应该是104.5×6，大约是627度，这并不是一个六边形真正的几何上的内角和720度，那怎么就能说6个水分子拉起手来刚好就组成一个六边形呢？
这个误解是把水分子结晶时的网格想成了平面网格，但其实它是三维的，由于氢原子和氧原子端电性的微小差异，在三维空间当中，每一个水分子都是同时受到周边多个水分子的影响，在中心当6个水分子想拉起手来时，它们并不是处在同一个平面，而是相互之间彼此有一个扭转角度，这样的空间搭配就可以组成一个稳定的固体网格，也就是我们看到的雪花晶体，从剖面上来看，它就是一个六边形。
中央晶格在水蒸气的包围之中慢慢集聚起来，更多的水分子这个六边结构就开始向外扩张，温度、湿度这些条件的不同都会影响扩张的图案，由于水分子非常小，因此在每一个瞬间，可以认为当前时刻这个水分子的6个方向所处的环境基本是相同的，所以它们就在各个方向上有对称地伸展图案，但在不同的时刻，雪花结晶条件一直是在改变的，所以这片雪花从整体上来看又是变化多端的。
加州理工大学物理学教授肯尼斯·利布希特曾经对雪花进行过深入研究和观察，他总结说——“在零下二度附近时，雪花会成长为薄板的形状，而在零下5度附近，它们又形成了细长的圆柱或者是针状结构，等到了零下15度附近，雪花又会再度变得非常的薄。”
没有人能够准确的解释，为什么相对较小的温度的改变就会引起雪花结构剧烈的变化。
世界上没有两片完全相同的雪花，1998年曾有一位研究者南希·奈特声称，他在显微镜当中发现了两片一模一样的雪花，但这也许只是看起来相似而已，因为即便是外观接近，在自然界当中，每3000个氢原子当中就会出现一个氢的同位素·氘，一片雪花当中含有数以百亿百亿计的氢原子，那也就会有大量的氘元素，可是氘的分布完全是随机的，没有办法预测，这一点就注定了任何两片雪花之间不可能毫无区别。
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