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夏天已至，小編所能想到的最幸福的事莫過於在空調房裡喝一杯加了冰塊的肥宅快樂水。尤其是像下面這張圖一樣，肥宅快樂水配上晶瑩剔透的冰塊，能喝出威士忌的格調來。
來源：pixabay可現實卻狠狠地打了臉，小編的冰塊不是晶瑩剔透的，而是白花花的，內部像充滿了雜質一樣。哎，喝肥宅快樂水的格調瞬間就下來了。那麼問題來了，為什麼有的冰塊很通透，有的冰塊卻「渾濁不堪」？那當然是冰塊它懂物理呀！
來源：pixabay這種外觀不透明的冰英文中叫做「white ice（白冰）」或者「cloudy ice（多雲的冰）」。用多雲這個詞形容這種不透明的冰可以說是很形象啦，就像用霜降、雪花來形容牛肉一樣。要想做出晶瑩剔透的冰塊，就得先知道冰塊為什麼會「多雲」。冰塊多雲主要有三個原因：水中含有氣體，在冷凍的過程中氣體無法排出，使得冰塊中含有許多氣體形成的小孔隙。冷凍的速度過快，這樣會產生大量的小冰晶，而小冰晶之間存在著許多縫隙，這些縫隙會讓冰塊看起來有雲霧一般。水中含有無機鹽，在冷凍到0℃以下時，它們會逐漸聚集在一起，使得冰塊不透明。前面這兩個原因比較好理解，也比較好解決。比如，可以在冷凍之前將水煮沸以除去溶解在其中的氣體；可以降低冷凍速度，以減少冰晶的產生，讓冰晶長大。可這第三個原因就不太好理解了，為什麼結冰的時候無機鹽會聚集在一起？這就需要用相圖來解釋了，下圖就是NaCl-水體系的二元相圖，它能告訴我們達到相平衡時，系統的組成與溫度之間的關係。下面就拿質量分數為18%的NaCl溶液（圖中的紅線）來舉例子，看看將它冷凍的過程中會發生什麼。
常壓下NaCl-水體系的二元相圖 | 來源：Wikipedia在15℃的時候，18%的NaCl溶液是液體，當溫度降低到0℃的時候，它還是液體。為什麼降到0℃了還是液體？經常關注我們問答專欄的小可愛肯定知道是怎麼回事（問答專欄No.145），由於稀溶液的依數性，鹽水的凝固點會低於純水的凝固點。這也是撒鹽融雪，防止道路結冰的原理。接下來繼續降溫，直到溫度降到大約-15℃左右才開始結冰，準確地說，是水開始以冰的形式析出，要注意的是，這裡所說的「冰」，裡面是不含有NaCl的。那麼NaCl呢，去哪兒了？哈哈，NaCl沒有析出，它還是以溶液的形式存在。也就是說，當溫度低於-15℃的時候，會出現兩相，一相是不含NaCl的冰，另一相是NaCl溶液。隨著溫度的降低，越來越多的水以冰的形式析出，那麼剩下的NaCl溶液的濃度也越來越高。直到NaCl溶液的濃度達到23.3%，這時候NaCl溶液的濃度不再增加，也不再有冰析出，而是形成了兩種固體（兩相），一種是冰，一種則是NaCl·2H2O，兩者混合在一起。我們將水冷凍成冰塊也是類似的情況，降溫的過程中，隨著冰的析出，水裡的無機鹽會逐漸富集在一起，形成高濃度的溶液，最後形成無機鹽的水合物。而這些無機鹽的水合物就是讓冰塊不透明的原因之一。就像下面這幅圖一樣，冰格中的水是從外部開始凍結，從而將無機鹽的水溶液推向冰格中心，所以冰塊內部的白色雜質最多。
來源：scienceabc.com知道了冰塊產生「多雲」的原因，在家也能做出晶瑩剔透的冰塊 [1]：把水燒開，排出溶解的空氣，並放涼；把裝滿水的容器在冰箱裡，一頭放在溫度更低的地方；切掉凍出來的冰塊「多雲」部分。關鍵是第二條，冰箱裡哪兒有一邊溫度高一邊溫度低的地方？哈哈，可以用毛巾把容器的一端包起來，人為製造個溫度更高的地方。與冰有關的一些其他現象也可以用相圖來解釋。比如，舔冰棒的時候，用力猛吸一口會發現冰棒特別甜。這可不是錯覺，而是確確實實更甜，小編親測有效。其實和上面提到的NaCl溶液類似，冰棒中的糖分和色素在低溫下大部分還是以溶液的形式存在的，並且濃度還很高。猛吸一口就能把藏在冰晶縫隙中的高濃度的糖水吸出來，自然比舔冰棒甜。不過，這只能爽一時，剩下的冰棒儘是冰塊了，味道特別寡淡，莫得靈魂（別問我怎麼知道的）。
來源：giphy知道了怎樣做晶瑩剔透的冰塊，還能活學活用，用來提純晶錠，比如提純鍺和矽。原理和製造晶瑩剔透的冰塊類似，以矽為例，利用雜質在固態矽中的濃度要低於液態矽中的濃度的特點，將雜質都富集到液態區域，從而大幅度減少固體中的雜質含量。用行話來說，就是雜質的分凝係數（分凝係數= 雜質在固相中的溶解度/雜質在液相中的溶解度）通常小於1。這就不得不提一下提純矽所用到的區熔法（區域熔煉法，zone melting）。
區熔法示意圖 | 來源：Wikipedia就像上面這張圖，將加熱器是固定不動，拉動晶柱穿過加熱器。這樣晶柱上就會有一個狹窄的熔融區域，因為雜質的分凝係數小於1，在熔融區域的固相/液相界面，雜質會從固相往液相的區域擴散。如此一來，如果拉動晶柱向下緩慢地通過狹窄的加熱器，處於這個狹窄區域的晶柱就會熔融，雜質不斷進入熔融的液相區，而高純的矽在加熱器下方凝固。隨著熔融區相對晶柱向上移動，雜質最後會被富集到晶柱的上端。熔煉結束後把上端有很多雜質的晶柱直接裁掉，剩下的就是高純矽了。如果純度還不夠，可以用相同的辦法再來一遍。裁掉的部分也不要扔，裹上麵粉，沾上蛋液，灑上麵包糠，炸至兩面金黃，隔壁小孩都饞哭了，還能作為提純用的原料。
剛開始生長的矽單晶（區熔法）| 來源：Wikipedia區熔法是不是像極了前面介紹的在家製造晶瑩剔透的冰塊的方法？人為製造固液兩相，讓雜質都富集到液相，最後把它裁掉。區熔法不僅是一種提純的方法，也是一種製備單晶的方法，但是用這種方法製備單晶成本高，並且得到的矽單晶純度高，一般被用於大功率器件上。半導體工業和太陽電池生產中大多是用直拉法來生產的，直拉法的製造成本相對較低，容易製備大直徑的單晶。直拉法形象地說，就是將單晶從一鍋液態物質中拉出來。
直拉法示意圖，從左往右依次是：多晶矽和摻雜物的熔化；向熔融物中放入晶種；晶體開始生長；緩慢向上提拉棒，同時棒與下面的坩堝之間以反方向旋轉；單晶矽生長完成 | 來源：Wikipedia首先將高純度的半導體級多晶矽放在一個坩堝中加熱至熔融狀態，這個時候就可以將硼原子和磷原子之類的雜質原子精確定量地摻入到熔融的矽中，將矽變為P型或N型矽。這個摻雜過程將改變矽的電學性質。然後將籽晶置於一根棒的末端，並將末端浸入熔融狀態的矽。然後，將棒緩慢地向上提拉，同時進行旋轉。如果對棒的溫度梯度、提拉速率、旋轉速率進行精確控制，那麼就可以在棒的末端得到一根較大的、圓柱體狀的單晶晶錠 [2]。最終得到的矽錠就像下面這個樣子，接下來將會切割成圓片，這也是晶圓名字的由來。
單晶矽矽錠 | 來源：Wikipedia想不到吧，製造晶瑩剔透的冰塊竟然有這麼多的門道~明天就是六一兒童節了，小編在這裡祝大家清涼一夏。
參考資料：[1] 如何製作出像鑽石般純淨的冰塊？| 有趣的製造[2] 柴可拉斯基法，維基百科編輯：重光
來源：新華號 中科院物理所