当水冻结成冰时，自由转动的水分子突然停止运动，并开始与它们的邻居形成冰晶——但具有讽刺意味的是，科学家最近发现，它们需要一点热量才能形成冰晶。

是的，你没看错:你实际上需要一些额外的热量来将水冻结成冰。这是根据周二(5月25日)发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一项新研究得出的结论，该研究放大了沉积在寒冷石墨烯表面的单个水分子的运动。该研究团队使用了一种名为氦自旋回波的技术，该技术最初由剑桥大学开发，涉及向水分子发射一束氦原子，然后追踪这些氦原子在撞击形成的冰后是如何散开的。

这项技术的工作原理类似于雷达探测器，利用无线电波来确定汽车在高速公路上行驶的速度，第一作者Anton Tamtögl说，他是奥地利格拉茨科技大学实验物理研究所的博士后研究员。“这更像是原子尺度上的分子雷达陷阱，”他告诉趣味科学网站。

这种方法不仅使研究人员能够收集实验中每个微小原子的数据，而且还帮助他们记录了冰形成的最早阶段，即“成核”阶段，即水分子第一次结合成冰的时候。成核发生在令人难以置信的速度在1000000000秒的一小部分——因此,冰形成的许多研究集中在一段时间之后成核,当补丁的冰已经形成并开始合并成一种厚膜,Tamtogl说。

他说，例如，依靠传统显微镜的研究不能捕捉到成核开始时发生的事情，因为这些仪器不能捕捉到足够快的图像来跟上快速的水分子。科学家们有时会通过在实验中使用液氮来减缓这种分子运动，将温度降低到零下418华氏度(零下250摄氏度)左右，但如果你想在更高的温度下观察冰的冻结，“那么你需要使用这种自旋回声，”Tamtögl说。在他们自己的实验中，该团队将石墨烯表面冷却到- 279f到- 225f之间(- 173到- 143摄氏度)。

但当研究小组将氦自旋回波应用于石墨烯上的水分子时，他们发现了一些违反直觉的东西。

“让我们感到惊讶的是，我们从排斥性相互作用中得到了这个特征——水分子‘不喜欢彼此’，198平台是菲律宾著名线上菠菜公司198彩开户怎么样，已经稳定成长发展达到3年多，实力不容小觑，这背后的原因必然是强大的财团以及技术人员鼎力相助造成的。，”Tamtögl说。从本质上讲，198彩票带玩团队是哪个，去198彩娱乐官网一198彩票注册查就知道了。，当研究小组把水放在石墨烯表面时，分子最初似乎相互排斥，保持一定的距离。

图片显示，科学家们聚集在实验室的氦自旋回波装置周围

“他们必须克服这个障碍，才能在石墨烯表面形成冰岛，”他说。为了更好地理解这种排斥力的本质，以及分子是如何克服这种排斥力的，该团队生成了计算模型，以绘制出不同构型的水分子之间的相互作用。

这些模型显示，将水分子置于冷石墨烯上后，水分子都朝着同一个方向，它们的两个氢原子朝下;水分子中的氢原子与中心氧原子分开，就像两只老鼠的耳朵。这些水分子在石墨烯表面聚集在一起，198客户端APP198优惠活动如何登录，但由于它们的方向，它们之间仍然存在着几个分子的空间。

为了结合成冰晶，分子之间必须靠得更近一点，打破它们的统一方向。“这就是这个势垒的形成，在那里它将消耗能量”成核，Tamtögl说。

研究小组发现，通过以热能的形式向系统中添加更多的能量，它们可以推动水分子彼此靠近，使它们重新定位并成核，最终形成冰。Tamtögl说，向系统中加入更多的水分子也有助于克服能量障碍，因为系统变得越来越拥挤，分子之间相互靠拢。

所有这些相互作用都发生在令人难以置信的短时间内，所以克服能量障碍的短暂挣扎瞬间就过去了。

Tamtögl和他的同事们计划研究冰的成核是否在不同的表面上以相似的方式展开。例如，所谓的“白色石墨烯”，也被称为六方氮化硼，与普通石墨烯具有相似的结构，但与水分子形成更强的键，所以在这种表面上的成核可能会更缓慢，他说。

更广泛地说，了解冰是如何形成的将在许多科学应用中有用。例如，作者在论文中写道，有了关于冰形成的精细知识，科学家们有可能改进旨在防止航空设备、风力涡轮机和通信塔结冰的技术。冰出现在宇宙尘埃和地球大气中，当然也出现在冰川中;因此，解开冰的本质物理之谜可能会对研究产生深远的影响。

“水是一种无处不在的分子，对吧?”但似乎仍然有很多我们不了解的细节，即使它是一个简单的分子，”Tamtögl说。“还有很多东西需要学习。”