從外觀抽象的雲層到滑雪場上造雪機的轟鳴聲，液態水變成固態冰的過程涉及生活的各個層面。水的冰點一般被認為是華氏32 度。但這是由於冰的成核作用–日常水中的雜質將水的冰點提高到了這個溫度。現在，研究人員公佈了一個理論模型，顯示了表面的特定結構細節如何影響水的冰點。

研究結果及其影響

研究人員在美國化學學會（ACS）春季會議上展示了他們的研究成果。美國化學學會2024 年春季會議是一個混合會議，將於3 月17-21 日以虛擬和現場方式舉行；會議期間將有近12,000 場關於各種科學主題的報告。

物理和材料化學教授瓦萊裡亞-莫利內羅（Valeria Molinero）說：「冰核形成是大氣中最常見的現象之一。上世紀五、六十年代，人們對冰核現象的興趣激增，希望透過播撒物質到雲層中來控制天氣，並實現其他軍事目標。一些研究探討了小形狀如何促進冰核形成，但理論並不成熟，也沒有人做過任何定量研究”。

水結冰看似簡單，但對邱宇清和瓦萊裡婭-莫利內羅來說並非如此。透過探索表面化學與幾何之間的關係，可以使製造冰或雪的過程更加節能，從而幫助製造雲層或為高山增添積雪。餘慶將於3月20日星期三在新奧爾良舉行的ACS Spring 2024會議上介紹這項研究。

當氣溫下降時，液態水中的分子通常會飛速旋轉並彼此擦肩而過，但它們會失去能量並減慢速度。一旦失去足夠的能量，它們就會停頓下來，調整方向以避免相互排斥，最大限度地增加吸引力，並在原地振動，形成我們稱之為冰的水分子結晶網絡。當液態水完全純淨時，冰可能要等到溫度降到華氏零下51 度時才會形成；這就是所謂的過冷現象。但是，如果水中存在最微小的雜質–煙塵、細菌甚至是特定的蛋白質，冰晶就會更容易在表面形成，從而在溫度高於零下51 華氏度時形成冰。

冰核研究的進展

幾十年的研究揭示了不同表面的形狀和結構如何影響水的冰點的趨勢。莫利內羅和她的團隊在早些時候對細菌內的成冰蛋白質進行的研究中發現，蛋白質組之間的距離會影響結冰的溫度。莫利內羅說：”有些距離非常有利於冰的形成，有些距離則完全相反。”

在其他表面也觀察到了類似的趨勢，但沒有找到數學解釋。博士後邱宇清（Yuqing Qiu）說：”之前人們已經有了’哦，也許某個表面會抑製或促進冰核形成’的感覺，但沒有辦法解釋或預測他們在實驗中觀察到的現象。”邱宇清和莫利內羅都曾在猶他大學從事這項研究，不過她現在芝加哥大學工作。

為了填補這一空白，莫利內羅、邱和團隊收集了數百份先前報告過的關於表面微小凹凸之間的角度如何影響水的凍結溫度的測量數據。然後，他們根據數據對理論模型進行了測試。他們利用這些模型來考慮促進冰晶形成的因素，如水與表面的結合強度和結構特徵之間的角度。

最後，他們確定了一個數學表達式，表明表面特徵之間的某些角度會使水分子更容易聚集，並在相對較高的溫度下結晶。他們說，他們的模型可以幫助設計表面材料，從而以最小的能量輸入更有效地形成冰。這方面的例子包括製雪機或製冰機，或適合播種雲層的表面，西部幾個州使用播種雲層來增加降雨量。它還有助於更好地解釋大氣中的微小礦物顆粒是如何透過冰核作用幫助形成雲的，從而有可能使天氣模型更加有效。

編譯自/ scitechdaily