水是怎麼結冰的？科學家用了一百年才弄明白，你好意思說你懂？

最近這些日子，大家都好好體驗了一把真·宅的感覺，你還好麼？現在已經復工了，相信很多人的日子也回到了正軌，想一想前不久的時候，出不去門，採購就成了問題。正趕上家裡料酒用光了，於是網購了一瓶料酒。

我當時忘了，我是東北人……

哎哎哎別跳戲，這不是我的照片……好好聊科學~

等料酒郵到的時候，凍得那叫一個實誠啊。如果當時往地上扔，玻璃瓶碎了，恐怕料酒凍成的冰都不會碎。

東北人冬天收快遞，總是這麼充滿了驚喜。

神仙水凍成了神仙冰

硬得可以砸核桃，可不是神了嗎

尤其是買烏龜的，心理陰影面積得多大。本來買的是烏龜想養，沒想到買到家只能燉湯了……

不管是啥，全都能結冰……

有的時候，真的忍不住想問一下：為啥水會結冰？

你可能會說：天冷，一凍就結冰了啊！

別看你說的頭頭是道，理所當然，實際上，這個問題，連科學家都蒙圈。畢竟，水的結冰過程不是你說一句冷就能解釋的，科學家要的是理論依據和實際觀測結果。光是說冷就結冰，讓人無法信服——難道水分子覺得冷，然後和旁邊的水分子商量一下說：「太冷了，咱結冰吧？」然後就結冰了？

一百多年前，美國物理化學家吉布斯（就是提出高中知識「吉布斯自由能」的那個人）等人提出了 「經典成核理論」：他們認為，如果水想結冰，其實是需要一個條件的，那就是結晶核。通俗（但是不準確）地解釋，就是有一個讓水能夠附著的點。比喻一下，就相當於前不久的人們，已經突破臨界點了，非常想去逛街、吃喝，只要有一家商場開業了（相當於結晶核），所有的人全都衝進去排隊購物吃喝（這些人就相當於水分子）。

（PS：疫情還沒結束，大家還是要理智，出去玩也不差最後這幾天。）

同樣的道理，當水溫降到0℃之下的時候，也不是一定會結冰，必須要有結晶核才行。一旦有了結晶核，水就會迅速結冰。當然，這個結晶核也不能太小，否則就跟宋小寶去拔河一樣，太難為人家了。

所以，這個世界才會有一種特殊的水——過冷水。也就是說，當水在低於理論上的冰點——0℃時，依然呈現出液態（當然壓力要正常，也不能是流水）。根本原因，就在於沒有結晶核。

你可能要問：太扯了吧？按照你的說法，我家接一點自來水放在冰箱冷凍層，豈不是也不結冰？

不對。因為你家的水，不是水。

說得可能有點誇張了。準確地說，你家的水，不是純水。我們上學時剛剛接觸化學，首先要學習的就是物質的分類，由同一種單質或一種化合物組成的物質，叫做純淨物，否則就叫混合物。而實際上，我們幾乎可以說世界上就沒有純粹的純淨物，我們見到的任何物質，即使純度再高，也會有雜質。

包括你家的水，其他不說，最起碼裡面就有水垢吧？也許你家的淨水器很牛，除掉絕大部分雜質。即便如此，這樣的水裡還有氧氣吧？否則水是怎麼養魚的？

所以說，雖然你家的水放進冰箱裡之後，本身可能沒有結晶，但是其他物質低於冰點，代替了結晶核的作用，才讓水結冰的。

因此，如果你想得到過冷水，那就必須儘量提高水的純度。

但是，過冷水本身是不穩定的。只要有少許的擾動，比如給它一個結晶核或者起到類似作用的物質，它就會迅速結冰。

記得小時候看的動畫片《海爾兄弟》裡，也有這麼一集，用的就是這個原理。

還有一個現象，也非常有趣。假如你用一根非常細的鐵絲，將一個冰塊切開，只要冰塊還在那裡，被切開的冰塊很快就會重新凝結為一整塊冰。

如果你想看看過冷水是什麼樣，也未必非得實驗室的設備。你不妨買一瓶純淨水（雜質比較少）——我想你不會不知道外面的瓶裝水的純淨水、礦泉水的分類是瞎起名的吧——放到冷凍層，過一段時間，它就會降溫到冰點以下。不過，你要注意兩點：第一就是溫度也別太低了，太難為純淨水；第二就是拿出來的時候，一定要小心，否則晃得太厲害，很快就會凍結。

這還只是礦泉水，如果有條件的話，用高純度水來做這個實驗，更容易得到過冷水。

那麼，如果是純水，難道就不可能凍結了嗎？

也不是。且不提世界上沒有完全的純淨水這個說法，實際上，如果是純水，在跌破冰點的時候也會有結晶核出現。不過，這種結晶核的出現，靠什麼原理我不知道，感覺更像是靠運氣……總之，偶爾會有結晶核出現，提供了凍結的契機。即便如此，對於純水來說，凍結的速度還是非常慢的。

這一套理論，在一百多年的時間裡被廣泛講解，長時間在教學課本裡被傳授。

可是，科學家卻從來沒見過所謂的結晶核。大家的推測是，這個結晶核是納米級別，實在太小；同時它很快就會導致附近的水迅速結冰，所以它的存在只有幾納秒，這兩個因素，導致它非常難觀測到。

有的人乾脆就說：別扯什麼結晶核，只要沒親眼看見，我就不信！

這個問題，在去年的時候，終於有了一個完結。解決這個問題的，就是中國的一群科學家，來自中科院化學所、中國科學院大學及河北工業大學的研究人員們——說真的，他們這個研究也有點尷尬。家裡問「最近研究啥」，回答「研究水為啥能結冰」，估計家長都後悔給交學費了……

當然，這是開玩笑。畢竟，這是困擾人類一百多年的命題。能夠解決這個問題，也是很大的成就。

我現在甚至認為，這個難題，還真的只有中國科學家能夠解決。因為這個實驗的方法，看起來那麼像曹衝稱象的原理——找替代物（只是我的感覺，不知道他們是不是真的受到這個故事的啟發）。

就像我們說的，因為結晶核極小，存在時間非常短，所以科學家難以檢測到。所以，中國的科研人員換了個思路，不去研究結晶核本身，而是找結晶核的替代物，當我們發現替代物達到結晶核的效果——能夠讓水結冰的臨界尺寸，那不就等於找到了結晶核的尺寸嗎？

他們選用的，是一種叫做氧化石墨烯納米片（GOs）的材料。這種材料的特點就是可以起到結晶核的作用，而且尺寸調整相對很簡單。經過一系列的實驗，科學家發現，只有當氧化石墨烯納米片的橫向尺寸（L）大於臨界值200/ΔT nm時，才能有效地促進冰成核。

而這個值，很接近之前科學家們推測的數據。

科學是嚴謹的，這樣一種材料做實驗得到的結果，顯然是不夠的。於是，科研人員又用矽酸鎂鋰納米片等材料進行了實驗，得到的結果也是一樣的。

他們把實驗結果編纂為論文《Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets》，發表到了《自然》雜誌上。至此，爭論了一百多年的結晶核，終於得到了認可。

水結冰，這個人類幾百萬年來都習以為常的現象，終於有了一個明確的解釋。

那麼，這個發現的意義在哪裡？難道只是為了消解人類的一個執念嗎？

當然不是。

那可能是為了照顧我們東北人，讓我們冬天別再收到凍成冰棒的快遞？

某東北人快遞收到的雞蛋

更不可能……

掌握了水結冰的機制，可以幫助人類更好地控制水的相變（固液氣）。這為人類提供了契機，可以控制冷凍食物的鮮度、打造更有效的防凍圖層。

更重要的，還在醫療方面。如果我們可以通過結晶核的控制保證水不凍結，就可以更好地冷凍保存人類的細胞組織，這不僅可以在治療方面起到效果，那些幻想著得絕症時通過冷凍技術保持生命，等到未來再治療的人們，也看到了曙光。否則，當一個人興致勃勃準備冷凍起來穿越到未來治病，結果因為體液結冰，活活給凍死，好像就太不划算了……