2022年01月07日 10:00
環球科學
撰文|休斯敦大學（University of Houston）
翻譯|謝汝雨
審校|鄭昱虹
水會結冰似乎是一件理所當然的事情，但其實水結冰的過程如何發生、為什麼會發生，仍是科學界的一大謎團，也是休斯敦大學機械工程學副教授哈迪·卡西米（Hadi Ghasemi）等研究「冰」的科學家密切關注的問題。為了研究在分子水平上水結晶成冰的過程，卡西米在直徑2納米的尺度下對水到冰的相變過程進行了觀察。
卡西米在研究這些小水滴時有了一個新發現：讓這些小水滴與諸如凝膠或脂類的柔性界面接觸，就可以打破水結冰的溫度限制，使它們在極低的溫度下仍保持液態。
這項研究近日發表於《自然·通訊》（Nature Communications）雜志。卡西米說：「我們發現，水滴在接觸柔性界面時，比接觸硬性界面時的冰點更低。一些納米尺度的水滴在接觸柔性界面時，可以在低達-44℃的溫度下保持不結冰。」
此前，水的冰點的極限是-38℃，也就是說，無論在任何情形下，水滴都會在0℃~-38℃之間的某個溫度下結冰，而低於-38℃時水滴必然會結冰。現在，這個紀錄被打破了。
微小水滴的結冰過程對動物在寒冷環境下的生存有重要的影響，因為細胞內的水滴凝固會導致細胞破裂和死亡。此外，微小水滴的結冰過程，對氣候預測、雲層狀況、低溫凍存器官以及發展飛機和風力渦輪機等面臨結冰挑戰的技術，都發揮著關鍵作用。
卡西米說：「通過實驗探測幾納米尺度水滴的冰點，一直是個懸而未決的難題。在我們的最新研究中，通過新開發的測量技術，我們能夠研究的結冰過程，已經從微米尺度縮小到2納米的尺度。
先前，卡西米利用應力局部化（stress localization）的新概念發明了一種應用於航空航天領域的抗冰材料。而他這次的發現有助於加深我們對水結冰這種自然現象的理解，可以為設計航空設備、風能開發的基礎設施以及低溫貯存系統的抗冰系統提供參考。
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