世界不思議

新的不尋常冰形式,揭開背後冰成核物理機制


冰是種複雜物質,科學上已鑑定出 20 多種在不同壓力、溫度組合下形成的冰類型。最近,日本研究人員發現一種於水面附近形成的不尋常冰形式,其結構類似最近發現的冰 0 類型,可以在過冷水中催化冰晶形成。

水以固態、液體、氣態形式表現,當環境溫度與壓力條件不同,固態冰實際上還存在超過 20 種不同結構(分子堆疊形狀),比如常見加入飲料的冰塊屬於冰 I 類型,是地球自然界存在的少數形式之一,其餘冰類型可能出現於太陽系其他天體。

冰結晶屬於成核現象,通常發生在固體表面,然而日本東京大學工業科學研究所團隊新研究表明,由於類似冰 0 的結構,冰成核現象也可能發生在水面下與空氣接觸的地方,或者說使水滴在表面附近凍結。

研究人員表示,這裡的冰繞著具有與冰 0 相同環形結構特徵的微小前驅物成核,其中類冰 0 結構更容易於過冷水形成,解決長期以來有關結晶更易發生於表面還內部的爭論。

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團隊指出,水的表面張力引起之負壓效應增強微小冰 0 前驅物自發形成,從而使水分子更容易從中結晶。而前驅物一旦開始結晶,類冰 0 結構就會迅速重新排列成我們更熟悉的冰 I 結構;在高壓下,冰 0 晶體結構也可能進一步形成不同冰相,例如冰 III 或冰 V,而隨著溫度降低,冰 0 可能變得更緊密、結構更穩定。

研究顯示,冰 0 新結構能催化冰晶形成,有助為氣候模型、冰的形成過程提供新見解,對食品科學、空調等技術也能帶來實際應用價值。新論文發表於《自然通訊》期刊。

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