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正经的聊聊水是如何变成冰的
网友【白晓剩】 2020-03-09 09:55:53 分享在【精美灌水版块】版块    3751    1    2

正赶上家里料酒用光了,于是网购了一瓶料酒。

我当时忘了,我是东北人……

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哎哎哎别跳戏,这不是我的照片……好好聊科学~

等料酒邮到的时候,冻得那叫一个实诚啊。如果当时往地上扔,玻璃瓶碎了,恐怕料酒冻成的冰都不会碎。

东北人冬天收快递,总是这么充满了惊喜。

神仙水冻成了神仙冰 ➘

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硬得可以砸核桃,可不是神了么 ➘

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尤其是买乌龟的,心理阴影面积得多大。本来买的是乌龟想养,没想到买到家只能炖汤了…… ➘

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不管是啥,全都能结冰……

有的时候,真的忍不住想问一下:为啥水会结冰?

你可能会说:天冷,一冻就结冰了啊!

别看你说的头头是道,理所当然,实际上,这个问题,连科学家都蒙圈。毕竟,水的结冰过程不是你说一句冷就能解释的,科学家要的是理论依据和实际观测结果。光是说冷就结冰,让人无法信服——难道水分子觉得冷,然后和旁边的水分子商量一下说:“太冷了,咱结冰吧?”然后就结冰了?

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一百多年前,美国物理化学家吉布斯(就是提出高中知识“吉布斯自由能”的那个人)等人提出了 “经典成核理论”:他们认为,如果水想结冰,其实是需要一个条件的,那就是结晶核。通俗(但是不准确)地解释,就是有一个让水能够附着的点。比喻一下,就相当于前不久的人们,已经突破临界点了,非常想去逛街、吃喝,只要有一家商场开业了(相当于结晶核),所有的人全都冲进去排队购物吃喝(这些人就相当于水分子)。

(PS:疫情还没结束,大家还是要理智,出去玩也不差最后这几天。)

同样的道理,当水温降到0℃之下的时候,也不是一定会结冰,必须要有结晶核才行。一旦有了结晶核,水就会迅速结冰。当然,这个结晶核也不能太小,否则就跟宋小宝去拔河一样,太难为人家了。

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所以,这个世界才会有一种特殊的水——过冷水。也就是说,当水在低于理论上的冰点——0℃时,依然呈现出液态(当然压力要正常,也不能是流水)。根本原因,就在于没有结晶核。

你可能要问:太扯了吧?按照你的说法,我家接一点自来水放在冰箱冷冻层,岂不是也不结冰?

不对。因为你家的水,不是水。

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说得可能有点夸张了。准确地说,你家的水,不是纯水。我们上学时刚刚接触化学,首先要学习的就是物质的分类,由同一种单质或一种化合物组成的物质,叫做纯净物,否则就叫混合物。而实际上,我们几乎可以说世界上就没有纯粹的纯净物,我们见到的任何物质,即使纯度再高,也会有杂质。

包括你家的水,其他不说,最起码里面就有水垢吧?也许你家的净水器很牛,除掉绝大部分杂质。即便如此,这样的水里还有氧气吧?否则水是怎么养鱼的?

所以说,虽然你家的水放进冰箱里之后,本身可能没有结晶,但是其他物质低于冰点,代替了结晶核的作用,才让水结冰的。

因此,如果你想得到过冷水,那就必须尽量提高水的纯度。

但是,过冷水本身是不稳定的。只要有少许的扰动,比如给它一个结晶核或者起到类似作用的物质,它就会迅速结冰。

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记得小时候看的动画片《海尔兄弟》里,也有这么一集,用的就是这个原理。

还有一个现象,也非常有趣。假如你用一根非常细的铁丝,将一个冰块切开,只要冰块还在那里,被切开的冰块很快就会重新凝结为一整块冰。

如果你想看看过冷水是什么样,也未必非得实验室的设备。你不妨买一瓶纯净水(杂质比较少)——我想你不会不知道外面的瓶装水的纯净水、矿泉水的分类是瞎起名的吧——放到冷冻层,过一段时间,它就会降温到冰点以下。不过,你要注意两点:第一就是温度也别太低了,太难为纯净水;第二就是拿出来的时候,一定要小心,否则晃得太厉害,很快就会冻结。

这还只是矿泉水,如果有条件的话,用高纯度水来做这个实验,更容易得到过冷水。

那么,如果是纯水,难道就不可能冻结了吗?

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也不是。且不提世界上没有完全的纯净水这个说法,实际上,如果是纯水,在跌破冰点的时候也会有结晶核出现。不过,这种结晶核的出现,靠什么原理我不知道,感觉更像是靠运气……总之,偶尔会有结晶核出现,提供了冻结的契机。即便如此,对于纯水来说,冻结的速度还是非常慢的。

这一套理论,在一百多年的时间里被广泛讲解,长时间在教学课本里被传授。

可是,科学家却从来没见过所谓的结晶核。大家的推测是,这个结晶核是纳米级别,实在太小;同时它很快就会导致附近的水迅速结冰,所以它的存在只有几纳秒,这两个因素,导致它非常难观测到。

有的人干脆就说:别扯什么结晶核,只要没亲眼看见,我就不信!

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这个问题,在去年的时候,终于有了一个完结。解决这个问题的,就是中国的一群科学家,来自中科院化学所、中国科学院大学及河北工业大学的研究人员们——说真的,他们这个研究也有点尴尬。家里问“最近研究啥”,回答“研究水为啥能结冰”,估计家长都后悔给交学费了……

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当然,这是开玩笑。毕竟,这是困扰人类一百多年的命题。能够解决这个问题,也是很大的成就。

我现在甚至认为,这个难题,还真的只有中国科学家能够解决。因为这个实验的方法,看起来那么像曹冲称象的原理——找替代物(只是我的感觉,不知道他们是不是真的受到这个故事的启发)。

就像我们说的,因为结晶核极小,存在时间非常短,所以科学家难以检测到。所以,中国的科研人员换了个思路,不去研究结晶核本身,而是找结晶核的替代物,当我们发现替代物达到结晶核的效果——能够让水结冰的临界尺寸,那不就等于找到了结晶核的尺寸吗?

他们选用的,是一种叫做氧化石墨烯纳米片(GOs)的材料。这种材料的特点就是可以起到结晶核的作用,而且尺寸调整相对很简单。经过一系列的实验,科学家发现,只有当氧化石墨烯纳米片的横向尺寸(L)大于临界值200/ΔT nm时,才能有效地促进冰成核。

而这个值,很接近之前科学家们推测的数据。

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科学是严谨的,这样一种材料做实验得到的结果,显然是不够的。于是,科研人员又用硅酸镁锂纳米片等材料进行了实验,得到的结果也是一样的。

他们把实验结果编纂为论文《Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets》,发表到了《自然》杂志上。至此,争论了一百多年的结晶核,终于得到了认可。

水结冰,这个人类几百万年来都习以为常的现象,终于有了一个明确的解释。

那么,这个发现的意义在哪里?难道只是为了消解人类的一个执念吗?

当然不是。

那可能是为了照顾我们东北人,让我们冬天别再收到冻成冰棒的快递?

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某东北人快递收到的鸡蛋

更不可能……

掌握了水结冰的机制,可以帮助人类更好地控制水的相变(固液气)。这为人类提供了契机,可以控制冷冻食物的鲜度、打造更有效的防冻图层。

更重要的,还在医疗方面。如果我们可以通过结晶核的控制保证水不冻结,就可以更好地冷冻保存人类的细胞组织,这不仅可以在治疗方面起到效果,那些幻想着得绝症时通过冷冻技术保持生命,等到未来再治疗的人们,也看到了曙光。否则,当一个人兴致勃勃准备冷冻起来穿越到未来治病,结果因为体液结冰,活活给冻死,好像就太不划算了……

出处:头条号 @科学求知者

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