同樣是水凍成的冰,為什麼有的是白色,有的卻是透明的?

2020-12-23 大臉科學視野

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

炎炎夏季來臨,如果能有一大杯可樂,可能生活的幸福感會瞬間提升。要是再加上晶瑩透亮的冰塊,這一天的生活可能直飆滿分。

不過,你是否發現,可樂中的冰與我們日常結的冰有很大區別。日常的冰除了透明的還會有很多白色的,但是在可樂的冰塊中卻很少發現這種現象。到底是什麼讓同樣都是水做的冰,有了不一樣的顏色?

這還得從顏色的產生說起。根據波爾原子理論,當原子吸收光子後,會跳到高能級的狀態。當它再次返回低能級狀態時,就會以光能的形式將能量釋放出來,這些具有特定能量差的光子就是我們所看見物體所呈現的顏色。

簡單來說,當物體將自然光中某些特定波長的光反射後,就會呈現出顏色。如果光子沒有被吸收,而是穿過了物體,這個物體就會呈現出透明狀。當光子在穿過物體時遇到阻礙,那就會呈現出半透明狀態。

日常水之所以能形成白色冰,是由於雜質或者內部氣泡的存在。水結冰是一個熱量釋放的過程,但又是從外到內的結冰,這樣在其內部形成的壓力就會阻止氣泡排除。

這些氣泡會成為水結冰的晶核,水分子會圍繞晶核形成密度不均勻的特殊結構,這些結構會把光打散和吸收,導致冰不再透明。在英文裡有個非常形象的說法,叫Cloud ice(雲冰)。

而透明的冰一般只有沒有雜質的情況下才會形成。由於水在結冰時沒有晶核的存在,水分子均勻分布,因此會像玻璃一樣透明。

那麼如何才能凍出乾淨透明的冰塊呢?找到超純水的方法顯然在現實生活中不現實,因此我們只能選擇防止水中雜質在中間富集的方法。最簡單的操作就是讓水運動起來。

可以使用一個泵,將水從容器底部抽出(由於冰密度小所以一般會浮在水面上),循環到其他地方,這樣被新結的冰排出的雜質不容易富集,流動水的部分溫度也容易保持一致,從而使得冰能夠逐漸在頂部形成,雜質不夾在中間,冰塊就透明了。很多酒吧的製冰機就是利用的這個原理。

其實不流動的水也可以制出透明的冰塊,只要想辦法控制雜質富集在同一個地方,然後結成冰後敲掉,剩下的就會是透明的冰了。

當然還有一種方式就是網絡比較流行的Neat Ice的做法。它是通過保證水降溫的方向大體上是從上往下來使得不透明的東西全都在底部富集,於是上部的冰塊就透明了。它的容器說白了就是個保溫杯,頂部敞口,以此來實現溫度單向傳播。

其實,科學一直都存在於我們的周圍,關鍵在於我們是否能夠發現生活中的小細節,找到它背後深刻的科學知識。

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