水結冰真是怪

水是地球上最豐富的液體，也是生命體的最主要成分，而水也是最不簡單的液體，藏著一個又一個謎團等待我們去破解，至今我們還不能說對水已經完全了解了。

例如，水結冰時，如果沒有雜質、氣泡、微小晶粒，又是完全靜置，即使水的溫度遠遠低于0℃，水也會保持液體狀態而不結冰。例如：一瓶純凈水在零下20℃的冰箱內待了一宿，都還沒有結冰，但是一旦把水拿出來，它馬上就結冰了。這是因為突然的動蕩會導致過冷的水結冰。

當然這是常見的現象，也是已經解決了的問題，不足為奇。但是近來研究者發現，在一些情況下，即使把水的溫度降低到零下100多攝氏度，氣壓升高到幾千大氣壓，水竟然照樣還是液體狀態！

情況是這樣的：研究者把水吹入微小的硅管中，硅管的直徑在納米尺度范圍內（1～100納米），然后把硅管放入低溫室內冷凍，即使硅管并沒有清洗，充滿了微塵，即使溫度降到了零下150℃以下，硅管內的水卻沒有結冰！硅管內的水并不缺少結冰所需的晶核，低溫條件也足夠，它為什么不結冰呢？

也許是硅管太細小，毛細現象導致氣壓降低的原因吧！研究者意識到這一點后，把硅管放入壓強可以變化的氣壓室中，結果氣壓由1大氣壓升高到3000大氣壓，硅管內的水還是頑固地保持著液體狀態！

不僅如此，研究者發現，在溫度處于大約零下60℃時，水雖然沒有結冰，但是好像變了一種狀態，最明顯的就是密度，水的密度突然變小了，體積也突然變大了。這個現象，在上世紀90年代就已經有人發現了：過冷水在一定溫度下會發生一種液體狀態向另一種液體狀態的轉變，這兩種狀態下，水分子的排列完全不同，水的密度也會有突然的變化，與水結冰時密度的突然變化類似，但水卻沒有結冰。

關于水的結冰，還有一種一般人觀察不到的有趣現象。

研究雷雨的科學家在光學顯微鏡下觀察過一滴水的結冰過程。一滴水一般在過冷的情況下（溫度略低于0℃）才會結冰，而且是從水滴的最表面開始形成一層冰殼，之后過冷的水滴溫度馬上跳升到0℃，內部陸續結冰，直到完全變成冰珠，整個過程，水滴的溫度基本都是保持在0℃，而這不足為奇。

有趣的是，在整個結冰過程中，從冰殼表面竟然會連續地噴射出大量細微水滴（直徑1～20微米），一個結冰過程中的水滴簡直就像一個微小的噴霧器！更值得關注的是，噴出的這些細微水滴都是帶正電的，結冰中的水滴則是帶負電的！

究其原因，還是水在結冰時體積會增大的性質導致的。由于水滴表面的晶核多，溫度比水滴內部低，水最先從水滴表面結冰，從而形成一層冰殼。但是內部的水要想結冰，就需要撐開這層冰殼，但每次冰殼被撐開時都會突然而又劇烈，內部未結冰的水分子正在“努力向外用力”呢，冰殼的突然裂開會讓它們來不及“剎車”，從而從裂開的縫隙中跑了出來。這就像集體推一面墻，如果墻突然倒下，推墻的人會來不及撤力，而由于慣性，隨墻的倒下向前摔個趔趄。

(從容摘自《大科技 · 科學之謎》)