การหลอมเหลวก่อนกำหนด (หรือการหลอมเหลวที่ผิวหน้า ) หมายถึง ฟิล์ม กึ่งของเหลวที่สามารถเกิดขึ้นได้บนพื้นผิวของของแข็งแม้ในอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ของวัสดุโดยรวม ( ) ความหนาของฟิล์มขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ( ) ปรากฏการณ์นี้พบได้ทั่วไปในวัสดุผลึกทั้งหมด การหลอมเหลวก่อนกำหนดแสดงให้เห็นผลกระทบในปรากฏการณ์การยกตัวของน้ำแข็งและหากพิจารณาถึง ส่วนต่อ ประสานของขอบเกรนอาจส่งผลต่อการเคลื่อนตัวของธารน้ำแข็งด้วย ${\displaystyle T_{m}}$${\displaystyle T}$

เมื่อพิจารณาถึงส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งและไอ เราสามารถแยกแยะการหลอมเหลวก่อนกำหนดแบบสมบูรณ์และไม่สมบูรณ์ได้ ในระหว่างการเพิ่มอุณหภูมิจากต่ำกว่าไปสู่สูงกว่าในกรณีของการหลอมเหลวก่อนกำหนดแบบสมบูรณ์ ของแข็งจะหลอมเหลวอย่างสม่ำเสมอจากภายนอกสู่ภายใน ในกรณีของการหลอมเหลวก่อนกำหนดแบบไม่สมบูรณ์ ฟิล์มของเหลวจะยังคงบางมากในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการหลอมเหลว แต่หยดของเหลวจะเริ่มก่อตัวขึ้นที่ส่วนต่อประสาน ในทั้งสองกรณี ของแข็งจะหลอมเหลวจากภายนอกสู่ภายในเสมอ ไม่ใช่จากภายใน ${\displaystyle T_{m}}$

ไมเคิล ฟาราเดย์เป็นคนแรกที่กล่าวถึงการละลายก่อนกำหนดในปี 1842 สำหรับพื้นผิวน้ำแข็ง^{[ 1 ]}เขาเปรียบเทียบผลที่ทำให้ก้อนหิมะเกาะกันกับผลที่ทำให้สิ่งก่อสร้างจากทรายชื้นมีความมั่นคง อีกสิ่งหนึ่งที่น่าสนใจที่เขาพูดถึงคือ ก้อนน้ำแข็งสองก้อนสามารถแข็งตัวติดกันได้ ต่อมาแทมมันน์ (1910) และสตรันสกี (1942) เสนอว่าผลึกทั้งหมดอาจเริ่มละลายที่พื้นผิวเนื่องจากการลดลงของพลังงานพื้นผิว^{[ 2 ] [ 3 ]}เฟรนเคลเสริมความแข็งแกร่งให้กับเรื่องนี้โดยสังเกตว่า ในทางตรงกันข้ามกับของเหลว ของแข็งจะไม่พบความร้อนสูงเกินไป^{[ 4 ]}หลังจากการศึกษาอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับวัสดุหลายชนิด สรุปได้ว่ากระบวนการละลายเริ่มต้นที่พื้นผิวเป็นคุณสมบัติทั่วไปของสถานะของแข็ง^{[ 5 ]}

มีหลายวิธีในการเข้าถึงหัวข้อการหลอมก่อนกำหนด วิธีที่เป็นรูปธรรมที่สุดอาจเป็นทางอุณหพลศาสตร์ มุมมองที่ละเอียดกว่าหรือนามธรรมกว่าเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่สำคัญสำหรับการหลอมก่อนกำหนดนั้นได้มาจากทฤษฎีของ Lifshitz และ Landau เราเริ่มต้นด้วยการพิจารณาเฟสของแข็งที่เป็นผลึก (รูปที่ 1: (1) ของแข็ง) และอีกเฟสหนึ่ง เฟสที่สองนี้ (รูปที่ 1: (2)) อาจเป็นไอของเหลวหรือของแข็ง นอกจากนี้ยังอาจประกอบด้วยวัสดุทางเคมีเดียวกันหรือต่างกัน ในกรณีที่เฟสที่สองเป็นของแข็งของวัสดุทางเคมีเดียวกัน เราจะพูดถึงขอบเขต ของเกรน กรณีนี้มีความสำคัญมากเมื่อพิจารณาวัสดุที่เป็นผลึกหลายผลึก

ในสภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกต่อไปนี้ถือว่ามีอยู่แล้ว และเพื่อความเรียบง่าย (2) ควรเป็นเฟสไอ

เฟสแรก (1) และเฟสที่สอง (2) จะถูกแบ่งโดยอินเทอร์เฟซบางรูปแบบเสมอ ซึ่งส่งผลให้เกิดพลังงานอินเทอร์เฟซ ตอนนี้เราสามารถถามได้ว่าพลังงานนี้สามารถลดลงได้หรือไม่โดยการแทรกเฟสที่สาม (l) ระหว่าง (1) และ (2) เมื่อเขียนในรูปของพลังงานอินเทอร์เฟซ จะหมายความว่า: ${\displaystyle \gamma _{1-2}}$

${\displaystyle \gamma _{1-2}>\gamma _{1-l}+\gamma _{l-2}}$

ถ้าเป็นเช่นนั้น ระบบจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นหากสร้างเฟสแยก (3) ความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียวที่ระบบจะสร้างชั้นดังกล่าวได้คือการนำวัสดุของของแข็งมา "หลอม" ให้กลายเป็นกึ่งของเหลว ในการเขียนต่อไปนี้จะไม่มีการแยกความแตกต่างระหว่างกึ่งของเหลวและของเหลว แต่ควรระลึกไว้เสมอว่ามีความแตกต่างกัน ความแตกต่างนี้กับของเหลวที่แท้จริงจะชัดเจนเมื่อพิจารณาชั้นที่บางมาก (l) เนื่องจากแรงระยะไกลของโมเลกุลของวัสดุของแข็ง ของเหลวที่อยู่ใกล้ของแข็งมากยังคง "รู้สึก" ถึงความเป็นระเบียบของของแข็งผลึก และด้วยเหตุนี้จึงอยู่ในสถานะที่ให้ความเป็นระเบียบในปริมาณที่ไม่เหมือนของเหลว เมื่อพิจารณาชั้นที่บางมากในขณะนี้ จะเห็นได้ชัดว่าชั้นแยกทั้งหมด (l) มีความเป็นระเบียบดีเกินกว่าจะเป็นของเหลว สามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับความเป็นระเบียบได้ในย่อหน้าเกี่ยวกับทฤษฎีของแลนเดา

ทีนี้ เมื่อพิจารณาเทอร์โมไดนามิกส์ของเฟสที่เพิ่งนำมาใช้ใหม่ (l) อย่างละเอียดพลังงานกิบส์ ของเฟสนี้ สามารถเขียนได้ดังนี้:

${\displaystyle G\left(T,P,d\right)=\left(n_{l}\mu _{l}\left(T,P\right)\right)d+\gamma _{total}\left(d\right)}$,

โดยที่ อุณหภูมิความดัน และความหนาของ (l) สอดคล้องกับจำนวนอนุภาคในกรณีนี้และ คือความหนาแน่นของอะตอมและศักยภาพทางเคมีใน (l) และตามลำดับ โปรดทราบว่าต้องพิจารณาว่าพลังงานระหว่างพื้นผิวสามารถบวกเข้ากับพลังงานกิบส์ได้ในกรณีนี้ ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้สอดคล้องกับดังนั้นการพิสูจน์จึงได้ผลลัพธ์ดังนี้: ${\displaystyle T}$${\displaystyle P}$${\displaystyle d}$${\displaystyle N}$${\displaystyle n_{l}}$${\displaystyle \mu _{l}}$${\displaystyle \gamma _{total}=\gamma _{1-l}+\gamma _{l-2}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle N}$${\displaystyle d}$

${\displaystyle \mu \left(T,P,d\right)=\mu _{l}\left(T,P\right)+{\frac {\Delta \gamma }{n_{l}}}{\frac {\partial f\left(d\right)}{\partial d}}=\mu _{1}}$

โดยที่. ดังนั้นและแตกต่างกันและสามารถกำหนดได้ สมมติว่าการกระจายอนุกรมเทย์เลอร์รอบจุดหลอมเหลวเป็นไปได้ และใช้สมการคลอซิอุส-คลาเพย์รอนจะได้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้: ${\displaystyle \gamma _{total}=\Delta \gamma _{1-l}\cdot f\left(d\right)+\gamma _{1-2}}$${\displaystyle \mu _{1}}$${\displaystyle \mu _{l}}$${\displaystyle \Delta \mu =\mu _{1}-\mu _{l}}$${\displaystyle \left(T_{m},P_{m}\right)}$

• สำหรับศักยภาพในระยะยาวโดยสมมติและ:${\displaystyle f\left(d\right)=1-\sigma ^{2}/d^{2}}$${\displaystyle d>>\sigma }$

${\displaystyle \left(d=-{\frac {2\sigma ^{2}\Delta \gamma }{n_{l}q_{m}t}}\right)^{1/3}}$

• สำหรับศักยภาพระยะสั้นในรูปแบบ:${\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial d}}~e^{-d/d_{0}}}$

${\displaystyle d\propto \left|ln\left|t\right|\right|}$

ความร้อนจำเพาะของการหลอมเหลวและในลำดับของมิติโมเลกุลนั้นอยู่ที่ใด${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle q_{m}}$${\displaystyle t={\frac {T_{m}-T}{T_{m}}}}$

สูตรเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิเพิ่มขึ้นมากเท่าไร ความหนาของพรีเมลต์ก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากเป็นข้อได้เปรียบทางพลังงาน นี่คือคำอธิบายว่าทำไมจึงไม่มีความร้อนสูงเกินไป สำหรับ การเปลี่ยนเฟสประเภทนี้^{[ 5 ]}

ด้วยความช่วยเหลือของ ทฤษฎี Lifshitzเกี่ยวกับ Casimir และ van der Waals ปฏิสัมพันธ์ของวัตถุขนาดใหญ่ก่อนการหลอมเหลวสามารถมองได้จากมุมมองทางไฟฟ้าพลศาสตร์ ตัวอย่างที่ดีในการพิจารณาความแตกต่างระหว่างการหลอมเหลวก่อนการหลอมเหลวที่สมบูรณ์และไม่สมบูรณ์คือ น้ำแข็ง ตั้งแต่ ความถี่ อัลตราไวโอเลตสุญญากาศ (VUV) ขึ้นไป ค่าโพลาไรเซชันของน้ำแข็งจะมากกว่าของน้ำ แต่ที่ความถี่ต่ำกว่านั้นจะกลับกัน สมมติว่ามีฟิล์มที่มีความหนาอยู่บนพื้นผิวของแข็งอยู่แล้ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกองค์ประกอบสามารถเดินทางผ่านฟิล์มในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวของแข็งได้ง่าย ตราบใดที่ค่ามีขนาดเล็ก ดังนั้น ตราบใดที่ฟิล์มบางเมื่อเทียบกับความถี่ ปฏิสัมพันธ์จากของแข็งไปยังฟิล์มทั้งหมดจึงเป็นไปได้ แต่เมื่อค่า มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความถี่ VUV ทั่วไป โครงสร้างอิเล็กตรอนของฟิล์มจะช้าเกินไปที่จะส่งผ่านความถี่สูงไปยังปลายอีกด้านของเฟสของเหลว ดังนั้นปลายด้านนี้ของเฟสของเหลวจะรู้สึกถึงปฏิสัมพันธ์ van der Waals ที่ล่าช้ากับเฟสของแข็งเท่านั้น ดังนั้น แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวเองจะมีอิทธิพลเหนือกว่า และพวกมันจะเริ่มก่อตัวเป็นหยดน้ำแทนที่จะทำให้ฟิล์มหนาขึ้น ดังนั้น ความเร็วแสงจึงเป็นตัวจำกัดการหลอมเหลวก่อนกำหนดอย่างสมบูรณ์ นี่ทำให้เป็นคำถามเกี่ยวกับพลังงานอิสระของของแข็งและพื้นผิวว่าการหลอมเหลวก่อนกำหนดอย่างสมบูรณ์จะเกิดขึ้นหรือไม่ การหลอมเหลวของพื้นผิวอย่างสมบูรณ์จะเกิดขึ้นเมื่อค่าลดลงอย่างต่อเนื่อง หากแสดงค่าต่ำสุดทั่วโลกที่ค่าจำกัดการหลอมเหลวก่อนกำหนดจะไม่สมบูรณ์ นี่หมายความว่า: เมื่อปฏิกิริยาระยะไกลในระบบเป็นแรงดึงดูด การหลอมเหลวก่อนกำหนดจะไม่สมบูรณ์ — โดยสมมติว่าความหนาของฟิล์มมากกว่าแรงผลักใดๆ หากความหนาของฟิล์มน้อยเมื่อเทียบกับระยะของแรงผลักที่มีอยู่ และแรงผลักนั้นแข็งแกร่งกว่าแรงดึงดูด การหลอมเหลวก่อนกำหนดอย่างสมบูรณ์สามารถเกิดขึ้นได้ สำหรับปฏิกิริยาแวนเดอร์วาลส์ ทฤษฎีของลิฟชิตซ์สามารถคำนวณได้ว่าการหลอมเหลวก่อนกำหนดประเภทใดควรเกิดขึ้นสำหรับระบบพิเศษ ในความเป็นจริง ความแตกต่างเล็กน้อยในระบบสามารถส่งผลต่อประเภทของการหลอมเหลวก่อนกำหนดได้ ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งในบรรยากาศที่มีไอน้ำจะละลายไม่สมบูรณ์ ในขณะที่น้ำแข็งในอากาศจะละลายสมบูรณ์ ${\displaystyle d}$${\displaystyle d}$${\displaystyle d}$${\displaystyle \gamma _{total}\left(d\right)}$${\displaystyle \gamma _{total}\left(d\right)}$${\displaystyle d}$

สำหรับส่วนต่อประสานของแข็ง-ของแข็ง โดยทั่วไปแล้วไม่สามารถคาดการณ์ได้ว่าการหลอมเหลวก่อนจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์หรือไม่สมบูรณ์เมื่อพิจารณาเฉพาะปฏิสัมพันธ์ของแวนเดอร์วาลส์เท่านั้น ในกรณีนี้ ปฏิสัมพันธ์ประเภทอื่น ๆ จะมีความสำคัญมาก ซึ่งรวมถึงขอบเขตของเกรนด้วย^{[ 5 ]}

ความเข้าใจที่ลึกซึ้งที่สุดในปัญหานี้อาจเกิดขึ้นเมื่อพิจารณาผลกระทบจากทฤษฎีของแลนเดา ซึ่งค่อนข้างมีปัญหาอยู่บ้าง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการหลอมเหลวของวัสดุจำนวนมากจะต้องถือเป็นการเปลี่ยนเฟสอันดับหนึ่ง หมายความว่าพารามิเตอร์อันดับจะกระโดดที่การพิสูจน์ของลิโปวสกี (รูปทรงเรขาคณิตพื้นฐานแสดงในรูปที่ 2) นำไปสู่ผลลัพธ์ต่อไปนี้เมื่อ: ${\displaystyle \eta }$${\displaystyle t=0}$${\displaystyle T\leq T_{m}}$${\displaystyle \eta _{0}\propto {\begin{cases}const.&{\text{, }}a<{\sqrt {a_{m}}}\\\left|t\right|^{1/4}&{\text{, }}a={\sqrt {a_{m}}}\\\left|t\right|^{1/2}&{\text{, }}a>{\sqrt {a_{m}}}\end{cases}}}$

พารามิเตอร์ลำดับอยู่ที่ขอบเขตระหว่าง (2) และ (l) ซึ่งเรียกว่าความยาวการประมาณค่าและค่าคงที่ที่เข้าสู่แบบจำลองและต้องกำหนดโดยใช้การทดลองและแบบจำลองอื่นๆ ดังนั้นจึงเห็นได้ว่าพารามิเตอร์ลำดับในฟิล์มของเหลวสามารถเกิดการเปลี่ยนเฟสอย่างต่อเนื่องสำหรับความยาวการประมาณค่าที่มากพอ ผลลัพธ์เพิ่มเติมคือสิ่งที่สอดคล้องกับผลลัพธ์ของแบบจำลองทางเทอร์โมไดนามิกในกรณีของปฏิสัมพันธ์ระยะสั้น ทฤษฎีของแลนเดาไม่ได้พิจารณาความผันผวนเช่นคลื่นคาปิลลารี ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ในเชิงคุณภาพ^{[ 6 ]}${\displaystyle \eta _{0}}$${\displaystyle 1/a}$${\displaystyle a_{m}}$${\displaystyle d\propto \left|ln\left|t\right|\right|}$

มีเทคนิคหลายอย่างในการพิสูจน์การมีอยู่ของชั้นของเหลวบนพื้นผิวที่มีระเบียบดี โดยพื้นฐานแล้วมันเกี่ยวกับการแสดงให้เห็นว่ามีเฟสอยู่บนสุดของของแข็งซึ่งแทบไม่มีระเบียบเลย (กึ่งของเหลว ดูรูปพารามิเตอร์ลำดับ) หนึ่งในความเป็นไปได้นั้นทำโดย Frenken และ van der Veen โดยใช้การกระเจิงของโปรตอนบนพื้นผิวผลึกเดี่ยวตะกั่ว (Pb) ( 110) ขั้นแรก พื้นผิวถูกทำความสะอาดระดับอะตอมใน [UHV] เนื่องจากเห็นได้ชัดว่าต้องมีพื้นผิวที่มีระเบียบดีมากสำหรับการทดลองดังกล่าว จากนั้นพวกเขาก็ทำการวัดการบังเงาและการปิดกั้นของโปรตอน การวัดการบังเงาและการปิดกั้นในอุดมคติจะส่งผลให้สเปกตรัมพลังงานของโปรตอนที่กระเจิงแสดงเฉพาะยอดสูงสุดสำหรับชั้นพื้นผิวแรกเท่านั้น แต่เนื่องจากความไม่สมบูรณ์แบบของการทดลอง สเปกตรัมจึงแสดงผลกระทบของชั้นที่อยู่ด้านล่างด้วย นั่นหมายความว่าสเปกตรัมไม่ใช่ยอดสูงสุดที่กำหนดไว้อย่างดี แต่มีส่วนหางไปยังพลังงานที่ต่ำกว่าเนื่องจากโปรตอนกระเจิงในชั้นที่ลึกกว่า ซึ่งส่งผลให้สูญเสียพลังงานเนื่องจากการหยุด สิ่งนี้แตกต่างออกไปสำหรับฟิล์มของเหลวบนพื้นผิว: ฟิล์มนี้แทบจะไม่มีระเบียบ (ตามความหมายของทฤษฎีแลนเดาที่แทบจะไม่มีระเบียบ) ดังนั้นผลกระทบของการบังเงาและการปิดกั้นจึงหายไป ซึ่งหมายความว่าฟิล์มของเหลวทั้งหมดมีส่วนช่วยในการกระจายอิเล็กตรอนในปริมาณเท่ากันให้กับสัญญาณ ดังนั้นยอดจึงไม่เพียงแต่มีหาง แต่ยังกว้างขึ้นอีกด้วย ในระหว่างการวัด Frenken และ van der Veen ได้เพิ่มอุณหภูมิจนถึงจุดหลอมเหลว และด้วยเหตุนี้จึงสามารถแสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ฟิล์มที่ไม่เป็นระเบียบจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวในสภาวะสมดุลกับผลึก Pb ที่ยังคงมีระเบียบดี^{[ 7 ]}

มาถึงตรงนี้ เราได้พิจารณาพื้นผิวในอุดมคติแล้ว แต่หากมองให้ไกลกว่ากรณีในอุดมคติ จะมีปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลต่อการหลอมเหลวก่อนกำหนด:

• ความโค้ง : เมื่อพื้นผิวที่พิจารณาไม่ใช่ระนาบ แต่มีความโค้ง การหลอมเหลวก่อนกำหนดจะได้รับผลกระทบ กฎคือ เมื่อใดก็ตามที่พื้นผิวเว้าเมื่อมองจากมุมมองของของแข็ง การหลอมเหลวก่อนกำหนดจะเกิดขึ้นเร็วขึ้น สัดส่วนที่ความหนาของฟิล์มของเหลวเพิ่มขึ้นนั้นกำหนดโดย โดยที่ r คือรัศมีเฉพาะที่ของพื้นผิวโค้ง ดังนั้น จึงเป็นไปได้เช่นกันว่าการหลอมเหลวก่อนกำหนดเริ่มต้นในรอยขีดข่วนหรือในมุมของขั้นบันได และด้วยเหตุนี้จึงมีผลทำให้พื้นผิวเรียบขึ้น${\displaystyle {\frac {\delta d}{d}}={\frac {2\gamma _{1-l}}{3p_{l}q_{m}tr}}}$
• ของแข็งที่ไม่เป็นระเบียบ : เนื่องจากความไม่เป็นระเบียบในของแข็งจะเพิ่มพลังงานอิสระเฉพาะที่ ศักยภาพทางเคมีเฉพาะที่ของของแข็งที่ไม่เป็นระเบียบจึงอยู่สูงกว่าศักยภาพทางเคมีของของแข็งที่เป็นระเบียบ ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ศักยภาพทางเคมีของฟิล์มของเหลวที่หลอมเหลวก่อนจะต้องเท่ากับศักยภาพทางเคมีของของแข็งที่ไม่เป็นระเบียบ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าความไม่เป็นระเบียบในเฟสของแข็งทำให้ผลของการหลอมเหลวก่อนเพิ่มขึ้น
• สิ่งเจือปน : พิจารณากรณีของการลดลงของอุณหภูมิการหลอมเหลวของน้ำแข็งเนื่องจากเกลือที่ละลาย สำหรับการหลอมเหลวก่อนกำหนด สถานการณ์นั้นซับซ้อนกว่าที่คาดคิดจากคำกล่าวที่เรียบง่ายนั้นมาก เริ่มต้นด้วยทฤษฎีของ Lifshitz ซึ่งได้ร่างไว้คร่าวๆ ข้างต้น แต่ตอนนี้สิ่งเจือปนทำให้เกิดการกรองในของเหลว พวกมันดูดซับที่ขอบระหว่างเฟสของแข็งและของเหลว และผลกระทบทั้งหมดเหล่านั้นทำให้การอนุมานทั่วไปของผลกระทบของสิ่งเจือปนเป็นไปไม่ได้ที่จะกล่าวถึงในที่นี้ แต่สามารถกล่าวได้ว่าสิ่งเจือปนมีผลกระทบอย่างมากต่ออุณหภูมิที่สามารถสังเกตการหลอมเหลวก่อนกำหนดได้ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งส่งผลกระทบต่อความหนาของชั้น อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ได้หมายความว่าความหนาเป็นฟังก์ชันโมโนโทนในความเข้มข้น^{[ 5 ]}

ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของน้ำแข็ง โดยไม่มีฟิล์มของเหลวบนพื้นผิว วัดได้เป็น[ ^{8 ] ค่า}สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่เทียบเคียงได้คือของยางหรือยางมะตอย (ประมาณ 0.8) ซึ่งจะทำให้เล่นสเก็ตน้ำแข็งได้ยากมาก ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต้องอยู่ที่ประมาณหรือต่ำกว่า 0.005 จึงจะสามารถเล่นสเก็ตน้ำแข็งได้^{[ 9 ]}เหตุผลที่การเล่นสเก็ตน้ำแข็งเป็นไปได้ก็เพราะมีฟิล์มน้ำบางๆ อยู่ระหว่างใบมีดของรองเท้าสเก็ตน้ำแข็งกับน้ำแข็ง ต้นกำเนิดของฟิล์มน้ำนี้เป็นประเด็นถกเถียงกันมานาน มีกลไกที่เสนอไว้สามอย่างที่สามารถอธิบายฟิล์มน้ำเหลวบนพื้นผิวน้ำแข็งได้: ^{[ 10 ]}${\displaystyle \mu =0.6}$

• การละลายเนื่องจากแรงดัน: เจมส์ ทอมสันเสนอไว้ตั้งแต่ปี 1849 ว่าการขยายตัวของน้ำเมื่อแข็งตัวหมายความว่าน้ำแข็งควรจะละลายเมื่อถูกบีบอัด แนวคิดนี้ถูกนำไปใช้โดย จอห์น โจลี ในฐานะกลไกสำหรับการเล่นสเก็ตน้ำแข็ง โดยอ้างว่าแรงกดบนรองเท้าสเก็ตสามารถละลายน้ำแข็งและสร้างฟิล์มหล่อลื่นได้ (1886)
• การละลายก่อนกำหนด: ก่อนหน้านี้ฟาราเดย์และทินดอลล์ได้โต้แย้งว่า ความลื่นของน้ำแข็งเกิดจากการมีฟิล์มละลายก่อนกำหนดอยู่บนพื้นผิวน้ำแข็ง โดยไม่ขึ้นอยู่กับความดัน
• แรงเสียดทาน: โบว์เดนแย้งว่าความร้อนที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของรองเท้าสเก็ตน้ำแข็งนั้น ทำให้น้ำแข็งใต้ใบมีดละลายไปเล็กน้อย

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วปัจจัยทั้งสามนี้จะมีผลต่อการเล่นสเก็ตน้ำแข็ง แต่ชุมชนวิทยาศาสตร์ก็ถกเถียงกันมานานแล้วว่ากลไกใดเป็นกลไกหลัก เป็นเวลาหลายทศวรรษที่การอธิบายแรงเสียดทานต่ำของรองเท้าสเก็ตบนน้ำแข็งด้วยการละลายเนื่องจากแรงดันเป็นเรื่องปกติ แต่มีข้อโต้แย้งล่าสุดหลายประการที่ขัดแย้งกับสมมติฐานนี้^{[ 10 ]}ข้อโต้แย้งที่แข็งแกร่งที่สุดต่อการละลายเนื่องจากแรงดันคือการเล่นสเก็ตน้ำแข็งยังคงเป็นไปได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -20 °C (253K) ที่อุณหภูมินี้ ต้องใช้แรงดันจำนวนมาก (>100MPa) เพื่อทำให้เกิดการละลาย ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -23 °C (250K) การเพิ่มแรงดันจะทำให้เกิดโครงสร้างของแข็งของน้ำแข็งที่แตกต่างกัน ( น้ำแข็ง III ) เท่านั้น เนื่องจากเส้นไอโซเทอร์มไม่ผ่านเฟสของเหลวในแผนภาพเฟส อีกต่อไป แม้ว่าสิ่งเจือปนในน้ำแข็งจะยับยั้งอุณหภูมิการละลาย แต่นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ หลายคน เห็นพ้องต้องกันว่าการละลายเนื่องจากแรงดันไม่ใช่กลไกหลัก^{[ 11 ]} ความหนาของฟิล์มน้ำเนื่องจากการละลายก่อนกำหนดก็มีจำกัดที่อุณหภูมิต่ำเช่นกัน แม้ว่าฟิล์มน้ำจะมีความหนาได้ถึงระดับไมโครเมตร แต่ที่อุณหภูมิประมาณ -10 °C ความหนาจะอยู่ในระดับนาโนเมตร อย่างไรก็ตาม De Koning และคณะ พบในการวัดของพวกเขาว่าการเพิ่มสิ่งเจือปนลงในน้ำแข็งสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานได้ถึง 15% ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วในการเล่นสเก็ต ซึ่งอาจให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับเทคนิคและความเร็วในการเล่นสเก็ต^{[ 9 ]} แม้ว่าสมมติฐานการละลายด้วยแรงดันอาจจะถูกยุติลงแล้ว แต่การถกเถียงระหว่างการละลายก่อนกำหนดและแรงเสียดทานในฐานะกลไกหลักยังคงดำเนินต่อไป

• การทำให้เปียก
• การแช่แข็งพื้นผิว
• รีเจลเลชัน

• [1]การหลอมละลายพื้นผิว สถาบันเทคโนโลยีอิสราเอล
• [2] Robert Rosenberg: ทำไมน้ำแข็งถึงลื่น? ; Physics Today, ธันวาคม 2005 (ข่าวประชาสัมพันธ์; บทความในวารสารที่ DOI: 10.1063/1.4936299 ต้องสมัครสมาชิก)
• [3] Kenneth Chang: อธิบายเรื่องน้ำแข็ง: คำตอบนั้นลื่นไหล ; The New York Times, 21 กุมภาพันธ์ 2549 (ต้องสมัครสมาชิก)