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水如何结成冰是个谜：科学家破解结冰机制
理解冰的形成不仅是学术研究，还能应用于促进降水和抗冰雹等实际问题。
形成冰不仅需要低于零度的温度。这一不可预测的过程需要微观结构、随机摆动，通常还需要一点细菌的帮助。
我们在小学时学到水在零摄氏度时结冰，但这并不完全正确。在云中，科学家发现了温度低至零下40摄氏度的过冷水滴，而在2014年的实验室里，他们将水冷却到惊人的零下46摄氏度才结冰。你也可以在家中体验过冷现象：将一瓶蒸馏水放入冰箱，直到你摇晃它时它才会结冰。
结冰通常不会恰好发生在零度，这是因为冰的形成需要一个冰核——一个周围水分子可以围绕其形成晶体结构的冰种子。
这种冰种子的形成称为冰核化。对于零度纯水来说，冰核化非常缓慢，以至于几乎不发生。但在自然界中，杂质提供了冰核化的表面，这些杂质能显著改变冰形成的速度和温度。
尽管冰核化并不神秘，但它仍然令人困惑。化学家无法可靠地预测特定杂质或表面的效果，更别提设计一个能促进或抑制冰形成的表面了。但他们正在逐步破解这个难题。他们正在构建可以准确模拟水行为的计算机模型，并从自然中寻找线索——由细菌和真菌制造的蛋白质是科学家已知最好的冰核材料。
理解冰的形成不仅仅是学术研究。物质微粒在云中创造冰核，从而导致大部分降水。几个干旱的西部州使用冰核材料来促进降水，美国政府机构包括国家海洋和大气管理局和空军曾实验使用冰核化来缓解干旱或作为战争策略。而在一些国家，抗冰雹飞机会用碘化银粉尘来处理云层，这种物质能帮助小水滴结冰，阻止大冰雹的形成。
但还有很多需要学习的东西。“每个人都同意冰会形成，”犹他大学的物理化学家Valeria Molinero说，她构建了水的计算机模拟。“但接下来还有很多问题。”
水的冻结
零度特别之处在于，在这个温度或以下，水从液态变为冰态更有能量上的意义。在这个临界点以下，冰的晶体结构能量低于液态水分子的无序状态。结冰的过程实际上释放热量，这就是为什么你可以用红外摄像机看到冰在凝固时升温。
冰核化始于随机的分子摆动偶然将一小块三角形H2O分子排列成六角形冰结构。这种冰胚可能会长成冰核并启动冻结过程，也可能会溶解掉。这是因为存在一个能量障碍，阻止胚胎的生长。形成冰水界面的代价很高，排列成冰结构的分子与周围液态分子相互作用，导致界面不稳定。在冰霜达到一定大小之前，界面能量代价超过了内部冰形成释放的能量。
这个冰核化障碍就像在炎热的一天站在海边悬崖上，Boise州立大学的生物物理化学家Konrad Meister说，他研究生物防冻剂和冰核物质。你很热，更愿意在水中。但没有一阵风推你，或一个朋友鼓励你跳下去，你的恐惧让你瘫痪，困在悬崖顶上这个不理想的状态。
水越冷，这个能量障碍就越小。这使得随机分子运动更容易推动微小的冰胚超过临界大小阈值。冰形成并增长，低能量的晶体结构保持稳定。
提升核化
表面和杂质能显著降低核化的能量障碍，从而提高冰形成的温度。“自上世纪70年代以来，我们就知道表面有很多方面很重要，”宾夕法尼亚州立大学的大气化学家Miriam Freedman说。
像微观的施工脚手架一样，具有正确结构的表面使水分子更容易排列成晶体。研究人员已经确定了一些能使表面在冰核化方面更好或更差的因素。表面的晶体性或结构有序性很重要。而具有模拟冰化学结构的物质往往是很好的冰核化剂。一定大小的孔隙也能以某种方式限制水分子，有助于冰的形成。
Meister和Molinero一直在合作解开自然界最好的造雪者的秘密——细菌和真菌的蛋白质与水相互作用，促进冰核化。许多这些生物是植物病原体，它们的冰核蛋白可能进化出引起霜害的功能。
最著名的冰核物质是Pseudomonas syringae细菌，它的蛋白质能使水在约零下2摄氏度冻结。“它的效果如此好，以至于所有人工造雪，至少在犹他州，和一些其他美国地方，都会使用这种细菌来制造雪，”Meister说。
较大的蛋白质往往更擅长制造冰，可能是因为它们作为模板更有效：想象一下，用只有几层高的脚手架建造摩天大楼。
但尽管他们了解很多，科学家们仍会遇到惊喜。Meister、Molinero和他们的合作者最近发现了一个“大则更好”规则的例外：真菌蛋白质尽管很小，但在冰核化方面表现出色。它们通过聚集成大的冰核聚集体来解决这个问题。
预测冰
Molinero开发的理论和计算模型可以捕捉冰核化的过程，包括其与表面的相互作用。2009年，她和同事Emily Moore发表了一个简化的水模型，将每个H2O分子视为一个单一的四面体形状的原子；令人惊讶的是，这个单原子水模型的计算机模拟准确再现了水的大规模特性，如其密度。然后，在2011年，Molinero和Moore使用单原子水模型确定了过冷水中的一个特定结构变化，这一变化设置了水的最低冻结点。该模型预测水必须在零下48.15摄氏度冻结。
最近，在《国家科学院院刊》上发表的计算机模拟中，Molinero和她的同事们展示了冰结晶发生最快的温度和压力点，这一点正好处于高密度和低密度液态水相之间的过渡点。而在三月份的美国化学学会会议上，他们展示了一个新模型，能预测冰在给定表面上的核化温度。这个模型以实验数据为基础，考虑了从表面化学到缺陷形状的诸多因素。
根据它们的大小和几何形状，表面的凸起和凹陷能将水分子挤压成有助于或阻碍冰形成的配置。作为其模型的一部分，Molinero的团队开发并测试了一个新公式，用于描述凸起或凹陷角度如何影响冰核化。使用该公式，Molinero认为只需引入合适大小和形状的缺陷，就可以设计出更好的冰核材料。“你可以把一个不太好的表面变得非常出色，”她说。
根据Molinero的说法，大气科学家用来预测云行为的模型还没有考虑到冰核化的细微差别。而且尚不清楚哪些粒子实际上在自然界中对云的核化最重要。像撒哈拉沙尘这样的矿物颗粒在大气中很丰富，并且可以核化冰。但它们并不是唯一的。
“在云层中，你会发现一些细菌和真菌，它们非常擅长制造冰，”Meister说。“这完全引发了一个问题：是什么使雨水降落？”
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。