关于水如何结冰的持久之谜 | Quanta Magazine
这篇文章深入探讨了水结冰的复杂机制，探究了不仅仅是降温至零摄氏度以下就能使水结冰，而是涉及到微观结构、随机震动以及微生物的作用。
零度结冰的特殊性与冰核形成
尽管我们在小学学到水在零摄氏度结冰，但实际上水在自然界中的结冰往往需要杂质作为冰核。例如，实验和自然现象表明，即使在零度甚至更低温度，纯水也不容易形成冰核。
冰核形成的能源壁垒
冰核形成需要能量克服其与液态水界面之间的不稳定性。越低温，这种能量壁垒越小，冰核形成越容易。通过形象的比喻解释了这一过程，将其比作热天站在海崖上的人，虽然想跳进水里，却被恐惧所阻。
杂质和表面结构对冰核的促进作用
表面杂质和结构对冰核形成有重大影响。不同表面特性如结晶性、化学结构模拟冰等，能够促进或抑制冰核形成。使用细菌和真菌的蛋白质作为例子，这些生物通过特定的表面结构来促进冰核形成。
自然界中冰核形成的启示
最著名的冰成核剂是一种名为丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）的细菌，它含有一种蛋白质，可以迫使水在 -2 摄氏度左右结冰。 “这太好了，所有的人工造雪，至少在犹他州和美国的一些地方，都使用这种细菌来造雪，”
预测冰核形成
Valeria Molinero的团队开发了理论和计算模型来捕捉冰核形成的过程，包括其与表面的相互作用。一个简化的水模型成功再现了水的许多宏观性质，进一步的模拟研究显示了在特定液相转变点，冰晶化速度最快的新观察。
模型的实际应用
通过引入特定缺陷，可设计更好的冰核材料，这些模型对云和降水的形成机制有重大帮助。重要的是现有的气象模型还未充分考虑冰核形成的细节，这为未来的研究提供了方向。
总结
通过实验实例和计算模型，深入探讨水结冰的复杂性及其重要影响，为科学家进一步研究和实际应用提供了新的视角。
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