冰是如何形成的？一项新的研究颠覆了我们对冰形成的理解

　　水凝结成冰时，自由流动的水分子突然停止运动并开始与邻居形成冰晶，但具有讽刺意味的是，科学家最近发现它们需要一点热量。

　　是的，您没看错：实际上，您需要一些额外的热量才能将水冷冻成冰。这是根据一项于5月25日发表的新研究得出的，该研究放大了沉积在寒冷石墨烯表面的单个水分子的运动。该研究小组使用了一种称为氦自旋回波的技术，该技术最早是在剑桥大学开发的，该技术涉及在水分子上发射一束氦原子，然后追踪这些氦原子撞击到形成的冰中后如何散射。

　　奥地利格拉茨工业大学实验物理研究所的博士后研究员安东·坦特格（AntonTamt？gl）说：“这项技术的工作原理类似于使用无线电波来确定汽车在高速公路上滑行的雷达探测器的功能。”他对Live Science说：“这更像是原子尺度上的分子雷达陷阱。”

　　该方法不仅使研究人员能够在实验中从每个小原子收集数据，而且还帮助他们记录了水分子最初开始聚集成冰时形成冰的最早阶段，称为“成核” 。成核以令人难以置信的速度发生——不到十亿分之一秒的结果。因此，许多关于冰形成的研究都集中在成核后的一段时间内，此时冰块已经形成并开始融合。

　　例如，依靠常规显微镜的研究无法捕获成核开始时发生的情况，因为这些仪器不能足够快地捕捉图像以跟上快速的水分子的速度。科学家有时通过在实验中施加液氮来降低这种分子运动的速度，将温度降低到大约418华氏度（大约250摄氏度），但是如果您想观察冰在更高温度下的冻结，“那么您需要使用旋转回声。”坦莫格说。在他们自己的实验中，研究小组将石墨烯表面冷却至负279 F至负225 F（负173 C至负143 C）之间。

　　但是，当研究小组将氦自旋回波应用于沉积在石墨烯上的水分子时，他们发现了与直觉相反的东西。

　　Tamt？gl说：“令我们惊讶的是，这种排斥反应是水分子相互排斥的结果。” 从本质上讲，当团队将水倒在石墨烯表面上时，这些分子最初似乎会互相排斥，保持一定的距离。

　　他说：“在石墨烯表面形成冰岛之前，他们必须克服这种障碍。” 为了更好地了解这种排斥力的性质以及分子如何克服该排斥力，研究小组生成了计算模型，以绘制出不同构型中水分子的相互作用。

　　这些模型表明，将水分子置于冷石墨烯上后，它们的方向都相同，两个氢原子指向下方。水分子中的氢原子像两只老鼠的耳朵一样从中心氧原子伸出。这些水分子在石墨烯的表面上有些聚集在一起，但是由于它们的方向，它们之间仍然保留着一些分子的空白空间。

　　为了结合到冰晶中，分子必须彼此靠近一点，然后脱离其均匀的取向。Tamt？gl说：“这就是形成障碍的地方，它将在这消耗能量”。

　　通过以热能的形式向系统中添加更多的能量，研究小组发现它们可以使水分子彼此靠近，并使它们重新定向和成核，最终形成冰。Tamt？gl说：“随着系统变得越来越拥挤，并且分子彼此相互补充，向系统中添加更多的水分子也有助于克服能源壁垒。”

　　所有这些交互都是在非常短的时间内进行的，因此克服能量障碍的短暂努力很快就过去了。

　　Tamt？gl和他的同事计划研究冰成核是否在不同的表面上类似地展开。例如，所谓的“白色石墨烯”（也称为六边形氮化硼）与普通石墨烯具有相似的结构，但与水分子形成更牢固的键，因此成核在这种类型的表面上可能会更加缓慢地展开。

　　更广泛地说，确切地了解冰的形态在许多科学应用中将是有用的。这组作者在论文中写道，例如，凭借对冰层形成的详尽了解，科学家可以潜在地改善旨在防止航空设备，风力涡轮机和通讯塔结冰的技术。冰出现在宇宙尘埃和地球大气中，当然也出现在冰川中。因此，解开冰的本质机制在研究中可能具有深远的意义。

　　Tamt？gl说：“水是一个无处不在的分子，对吧？但是看来，尽管它是一个简单的分子，但仍有很多我们不了解的细节。” “还有更多的东西要学习。”

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