無限接近零度的水,為何一碰就結冰?掌握這招你也會「魔法」

2020-12-16 奇點使者

審核:小文

在迪士尼動畫電影《冰雪奇緣》中,女王艾莎具有「點水成冰」的魔法。她能夠將水瞬間就轉換為冰。眾所周知,水結成冰需要溫度達到零攝氏度以下,而要將水瞬間結成冰,那麼就需要水在瞬間處於零攝氏度以下,就能結成冰,那麼在現實生活中,「點水成冰」的魔法能否成真呢?

即使將水放進冰箱的冷藏室中,水要結成冰也需要一段時間,但是科學家曾做過一個實驗,將一塊冰放進零攝氏度以下的液態水中時,水的表面迅速結成了冰,實現了「點水成冰」。很顯然,這並不是一個魔法,那這究竟是怎麼做到的呢?為了解開這個看似「魔法」的現象,人類用了整整一個世紀。

近日,中科院研究團隊在《自然》雜誌上發表了一篇論文,在研究報告中指出,中國科學家們發下了水結成冰瞬間的關鍵過程,發現了「臨界冰核」的存在,並破解了「臨界冰核」與溫度之間的關係。這是人類首次破解了水結成冰的變化過程。

如果想要破解水結成冰的過程並非易事,因為水冰轉換的時間是非常短暫的,其過渡的一瞬間時間為納秒,轉換形成的臨界冰核的體積也是以納米作為單位的,因此捕捉這一瞬間的難度非常高,這也是為何近百年來無人能夠通過實驗研究水冰轉換過程的原因。但是中國科學家為了能夠破解這一瞬間,特地發明了特殊的尺子——納米尺。

納米尺並不是平時所見的一把尺子,而是科學家設計了一系列尺寸不等的納米顆粒,用於模擬不同尺寸的臨界冰核,科學家們將不同尺寸的納米顆粒放入相同體積的、不同的水樣品中,並觀察納米顆粒進入水樣品時,水的結冰狀態,當某尺寸的納米顆粒進入水樣品時,水迅速結冰,那麼就可以得出,該納米顆粒的尺寸就是臨界冰核的尺寸。

科學家們通過對比不同尺寸納米顆粒在水中的結冰程度得出,只有在臨界冰核的尺寸大於某個特定值時,冰晶才能轉換為冰核,從而形成臨界冰核,尺寸過小的納米顆粒並不能形成臨界冰核。

由此看來,動畫電影中的「點水成冰」並不是虛有的魔法,只要液態水的溫度低於零攝氏度,只要將一塊冰放入水中,水就能夠瞬間結冰,因為此時的冰就相當於一塊巨大的臨界冰核,只要過冷的液態水接觸了臨界冰核,那麼「點水成冰」就實現了。

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