发布时间：2024-11-14 10:26:39
水结冰会破坏生物的细胞结构，因此小水滴的冰点对生物生存至关重要。（图片来源：休斯敦大学）
水会结冰似乎是一件理所当然的事情，但其实水结冰的过程如何发生、为什么会发生，仍是科学界的一大谜团，也是休斯敦大学机械工程学副教授哈迪·卡西米（Hadi Ghasemi）等研究“冰”的科学家密切关注的问题。为了研究在分子水平上水结晶成冰的过程，卡西米在直径2纳米的尺度下对水到冰的相变过程进行了观察。
卡西米在研究这些小水滴时有了一个新发现：让这些小水滴与诸如凝胶或脂类的柔性界面接触，就可以打破水结冰的温度限制，使它们在极低的温度下仍保持液态。
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这项研究近日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。卡西米说：“我们发现，水滴在接触柔性界面时，比接触硬性界面时的冰点更低。一些纳米尺度的水滴在接触柔性界面时，可以在低达-44℃的温度下保持不结冰。”
此前，水的冰点的极限是-38℃，也就是说，无论在任何情形下，水滴都会在0℃~-38℃之间的某个温度下结冰，而低于-38℃时水滴必然会结冰。现在，这个纪录被打破了。
微小水滴的结冰过程对动物在寒冷环境下的生存有重要的影响，因为细胞内的水滴凝固会导致细胞破裂和死亡。此外，微小水滴的结冰过程，对气候预测、云层状况、低温冻存器官以及发展飞机和风力涡轮机等面临结冰挑战的技术，都发挥着关键作用。
卡西米说：“通过实验探测几纳米尺度水滴的冰点，一直是个悬而未决的难题。在我们的最新研究中，通过新开发的测量技术，我们能够研究的结冰过程，已经从微米尺度缩小到2纳米的尺度。
先前，卡西米利用应力局部化（stress localization）的新概念发明了一种应用于航空航天领域的抗冰材料。而他这次的发现有助于加深我们对水结冰这种自然现象的理解，可以为设计航空设备、风能开发的基础设施以及低温贮存系统的抗冰系统提供参考。