Die ersten Eislaufschuhe wurden vor 4000 Jahren von den Finnen hergestellt, indem sie scharfe Knochen an die Sohlen ihrer Schuhe befestigten. Um das 14. Jahrhundert erfanden die Niederländer stählerne Eislaufschuhe, und Eislaufen wurde in Europa zu einer beliebten Sportart, vor allem wegen des schnellen Eislaufens und des Eiskunstlaufs. Aber warum helfen Eislaufschuhe beim Eislaufen? Beim Gehen nutzen wir die Reibung zwischen dem Schuh und dem Boden, ohne die wir nicht vorankommen könnten. Beim Eislaufen hingegen ist weniger Reibung erwünscht, damit man reibungsloser gleiten kann. Eislaufschuhe ermöglichen es, beim Start und bei der Beschleunigung schnell voranzukommen, während sie gleichzeitig die Reibung beim Gleiten reduzieren und für Stabilität sorgen. Aber warum ist die Reibung zwischen Eis und Eislaufschuhen so gering? Falls man zwischen zwei festen Oberflächen eine Flüssigkeitsschicht platziert, verringert sich die Reibung erheblich – genau das ist auch der Mechanismus von Schmiermitteln. Wissenschaftler untersuchten die Kontaktfläche zwischen Eislaufschuhen und Eis und fanden heraus, dass die geringe Reibung auf eine Wassermembran zwischen Eislaufschuh und Eis zurückzuführen ist, die als Schmiermittel wirkt.
Zunächst ging man davon aus, dass das Wasser zwischen Eislaufschuh und Eisfläche aus einer Phasenübergang zwischen festem und flüssigem Zustand stammt: Eis wird unter hohem Druck zu Wasser. Später wurde jedoch festgestellt, dass Eis bei Temperaturen unter -22 °C auch unter dem höchsten Druck nicht schmilzt, sondern nur von einer Eisphase in eine andere übergeht, ohne zu Wasser zu werden. Warum aber können Menschen bei Temperaturen bis zu -30 °C problemlos Schlittschuhlaufen? Später erkannten Wissenschaftler, dass auch bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt eine Flüssigkeitsschicht auf der Eisoberfläche vorhanden ist, die als Oberflächenschmelzen bezeichnet wird. Je näher man dem Schmelzpunkt kommt, desto dicker wird diese Flüssigkeitsschicht. Bei Temperaturen zwischen -35 und 0 °C beträgt die Dicke der Flüssigkeitsschicht etwa 10 Nanometer. Verunreinigungen können ebenfalls die Dicke der Flüssigkeitsschicht beeinflussen. So führt beispielsweise das Vorhandensein von Salz zu einer Verdickung der Flüssigkeitsschicht. Warum aber existiert diese Flüssigkeitsschicht? Zwei japanische Wissenschaftler erklärten dies 2004 mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen. Die Wassermolekülen im Inneren des Eises werden von benachbarten Molekülen in alle Richtungen angezogen, wodurch ein stabiles Gitter entsteht. Auf der Oberfläche befindende Wassermoleküle sind jedoch aufgrund ihrer Exposition gegenüber einer Seite instabil und bilden kein regelmäßiges Gitter, sondern tendieren zu einer amorphen Form, d. h. einer Flüssigkeitsschicht. Aus Sicht der molekularen Thermodynamik schwingen Wassermoleküle in der Nähe ihrer Gleichgewichtsposition. Da die Moleküle auf der Eisoberfläche instabil sind, schwingen sie stärker als die inneren Moleküle, und dieser Unterschied in der Schwingungsamplitude nimmt mit zunehmender Nähe zum Schmelzpunkt zu. Daher ist die Flüssigkeitsschicht bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt (z. B. über -3,5 °C) am dicksten, und ihre Eigenschaften ähneln denen von reinem flüssigem Wasser. Basierend auf aktuellen Forschungsergebnissen gibt es drei Ursachen für die Bildung der Wassermembran: Hochdruckschmelzen, Reibungswärme und eine Flüssigkeitsschicht auf der Eisoberfläche. Bei verschiedenen Temperaturen tragen diese drei Mechanismen unterschiedlich zur Bildung der Membran bei. Wenn die Temperatur sehr nahe am Schmelzpunkt des Eises liegt (z. B. über -3,5 °C), ist der Beitrag des Hochdruckschmelzens am größten; bei Temperaturen weit vom Schmelzpunkt entfernt (z. B. -30 °C) ist der Beitrag der Reibungswärme am größten; und bei Temperaturen weit vom Schmelzpunkt und bei Stillstand ist der Beitrag der Flüssigkeitsschicht am größten. Genau wegen dieser Wassermembran zwischen Eislaufschuhen und Eis können Menschen auch bei sehr niedrigen Temperaturen problemlos Schlittschuhlaufen.