水和冰之間的那點事兒

顧靜怡

數(shù)九寒冬，滴水成冰，自然界中水結(jié)冰是一種最普遍不過的現(xiàn)象。然而，水是怎么變成冰的呢？近百年前，美國物理學(xué)家吉布提出了“臨界冰核”這一概念。不過，臨界冰核的真實面目始終沒有人見過。

為了揭開臨界冰核的真面目，全世界的科學(xué)家一直在孜孜不倦地進行研究。最近，科學(xué)權(quán)威雜志《自然》發(fā)表了一項關(guān)于自然界中相變成核現(xiàn)象的研究成果，中國的科研人員首次通過科學(xué)實驗證實了水結(jié)冰過程中臨界冰核的存在，并給出了臨界冰核的尺寸和過冷溫度的關(guān)系。更讓人興奮的是，這一成果與經(jīng)典成核理論預(yù)言高度契合。

大家都知道，自然界的物質(zhì)在特定的條件下會自發(fā)從一種狀態(tài)變成另一種狀態(tài)。例如，低溫下的水會結(jié)成冰，同樣，外界溫度達到并超過冰的熔點，冰就會融化?？茖W(xué)家們把這稱之為“相變”。按照經(jīng)典成核理論，相變是需要經(jīng)過“成核”過程的。不過，水是怎么變成冰的呢？這個聽起來很簡單的問題，卻著實讓科學(xué)家們煞費苦心。

在生活中，盡管冰晶普遍存在，但是在分子里面，人類一直無法真實了解水分子究竟是以何種形態(tài)相互結(jié)合形成冰核，進而生長成大冰晶的。換而言之，臨界冰核是水和冰相變過程中瞬間存在的過渡態(tài)——納秒級別，尺寸非常小——納米級別。人類的微觀探測技術(shù)在這道難題面前相形見絀，想要通過直接觀察“逮住”臨界冰核，更是一種妄想。

不過，研究人員發(fā)現(xiàn)，在低溫中生存的冬尺蠖攜帶著一種抗凍蛋白，能夠抑制體內(nèi)冰晶生長。而另一種作用相反的蛋白——冰晶核蛋白，卻可以高效地促進冰核形成。它們的結(jié)構(gòu)相似，唯一的不同就是尺寸?？箖龅鞍椎某叽缂s1納米至2納米，而冰晶核蛋白的尺寸約幾十納米。研究人員由此確定，尺寸是決定冰核能不能形成的重要因素。

研究人員設(shè)計制備了系列尺寸和化學(xué)性質(zhì)窄分布的氧化石納米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯對成核溫度的影響。通俗的解讀就是，用尺寸確定的納米顆粒作為尺子，去度量常規(guī)辦法不能捕捉到的微小瞬時的臨界冰核：持續(xù)降低溫度可使冰核達到臨界尺寸，當這個尺寸恰好與納米顆粒的尺寸相當時，臨界冰核就容易形成，并導(dǎo)致宏觀冰晶快速形成，且可被光學(xué)顯微鏡探測到。此外，研究人員還進一步確定了冰核的臨界尺寸的直徑為10納米左右，這是水分子聚集形成冰晶結(jié)構(gòu)，并快速形成大冰晶所需的最小臨界尺寸，最終揭開了水和冰之間的那些事兒。

事實上，了解水結(jié)冰過程不僅滿足了人們的好奇心，還是有用的知識點。作為自然界的普遍現(xiàn)象，水結(jié)冰不僅潛移默化地影響著地球上的氣候、地質(zhì)和生命，還在化學(xué)工業(yè)、低溫生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當然，對愛吃冰激凌的人來說，水結(jié)冰還與口感有關(guān)，因為研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn)，若想讓冰激凌口感更好，冰晶尺寸只能維持在頭發(fā)絲的一半，大約40微米左右。