水和冰之間的那點事兒

顧靜怡

數九寒冬，滴水成冰，自然界中水結冰是一種最普遍不過的現象。然而，水是怎么變成冰的呢？近百年前，美國物理學家吉布提出了“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，全世界的科學家一直在孜孜不倦地進行研究。最近，科學權威雜志《自然》發表了一項關于自然界中相變成核現象的研究成果，中國的科研人員首次通過科學實驗證實了水結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系。更讓人興奮的是，這一成果與經典成核理論預言高度契合。

大家都知道，自然界的物質在特定的條件下會自發從一種狀態變成另一種狀態。例如，低溫下的水會結成冰，同樣，外界溫度達到并超過冰的熔點，冰就會融化。科學家們把這稱之為“相變”。按照經典成核理論，相變是需要經過“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相互結合形成冰核，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——納秒級別，尺寸非常小——納米級別。人類的微觀探測技術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，研究人員發現，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。它們的結構相似，唯一的不同就是尺寸。抗凍蛋白的尺寸約1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。

研究人員設計制備了系列尺寸和化學性質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，去度量常規辦法不能捕捉到的微小瞬時的臨界冰核：持續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，并導致宏觀冰晶快速形成，且可被光學顯微鏡探測到。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構，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象，水結冰不僅潛移默化地影響著地球上的氣候、地質和生命，還在化學工業、低溫生物學、材料科學等領域發揮著至關重要的作用。當然，對愛吃冰激凌的人來說，水結冰還與口感有關，因為研究人員在實驗中發現，若想讓冰激凌口感更好，冰晶尺寸只能維持在頭發絲的一半，大約40微米左右。