水和冰之间的那点事儿

　　顾静怡

　　数九寒冬，滴水成冰，自然界中水结冰是一种最普遍不过的现象。然而，水是怎么变成冰的呢？近百年前，美国物理学家吉布提出了“临界冰核”这一概念。不过，临界冰核的真实面目始终没有人见过。

　　为了揭开临界冰核的真面目，全世界的科学家一直在孜孜不倦地进行研究。最近，科学权威杂志《自然》发表了一项关于自然界中相变成核现象的研究成果，中国的科研人员首次通过科学实验证实了水结冰过程中临界冰核的存在，并给出了临界冰核的尺寸和过冷温度的关系。更让人兴奋的是，这一成果与经典成核理论预言高度契合。

　　大家都知道，自然界的物质在特定的条件下会自发从一种状态变成另一种状态。例如，低温下的水会结成冰，同样，外界温度达到并超过冰的熔点，冰就会融化。科学家们把这称之为“相变”。按照经典成核理论，相变是需要经过“成核”过程的。不过，水是怎么变成冰的呢？这个听起来很简单的问题，却着实让科学家们煞费苦心。

　　在生活中，尽管冰晶普遍存在，但是在分子里面，人类一直无法真实了解水分子究竟是以何种形态相互结合形成冰核，进而生长成大冰晶的。换而言之，临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态——纳秒级别，尺寸非常小——纳米级别。人类的微观探测技术在这道难题面前相形见绌，想要通过直接观察“逮住”临界冰核，更是一种妄想。

　　不过，研究人员发现，在低温中生存的冬尺蠖携带着一种抗冻蛋白，能够抑制体内冰晶生长。而另一种作用相反的蛋白——冰晶核蛋白，却可以高效地促进冰核形成。它们的结构相似，唯一的不同就是尺寸。抗冻蛋白的尺寸約1纳米至2纳米，而冰晶核蛋白的尺寸约几十纳米。研究人员由此确定，尺寸是决定冰核能不能形成的重要因素。

　　研究人员设计制备了系列尺寸和化学性质窄分布的氧化石纳米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯对成核温度的影响。通俗的解读就是，用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子，去度量常规办法不能捕捉到的微小瞬时的临界冰核：持续降低温度可使冰核达到临界尺寸，当这个尺寸恰好与纳米颗粒的尺寸相当时，临界冰核就容易形成，并导致宏观冰晶快速形成，且可被光学显微镜探测到。此外，研究人员还进一步确定了冰核的临界尺寸的直径为10纳米左右，这是水分子聚集形成冰晶结构，并快速形成大冰晶所需的最小临界尺寸，最终揭开了水和冰之间的那些事儿。

　　事实上，了解水结冰过程不仅满足了人们的好奇心，还是有用的知识点。作为自然界的普遍现象，水结冰不仅潜移默化地影响着地球上的气候、地质和生命，还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用。当然，对爱吃冰激凌的人来说，水结冰还与口感有关，因为研究人员在实验中发现，若想让冰激凌口感更好，冰晶尺寸只能维持在头发丝的一半，大约40微米左右。