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水覆盖了70%的地球表面，形成了丰富多彩的地球面貌。不论是冰川雪域还是一望无际的大海，不论是冬日的雪还是夏日的雨，人们几乎都已习以为常，惯性地认为零度以下水就会结冰，雨滴就会变成雪花。不过，休斯顿大学研究人员刚刚证明，水的结冰温度比我们通常认知的要低得多，可以低至零下44度，研究结果于2021年11月30日发表于《nature communications》。
水不仅是生命之源，微小液滴的水冰转化在自然界中也起着至关重要的作用，包括云中的气候波动、全球辐射特性和微物理过程以及寒冷环境中动物的生存机制等都涉及到各种不同形状冰粒的形成机制。
研究人员在被油环境包围的膜孔中形成直径为150-2nm的水液滴，将这些微小水滴放在柔软的凝胶表面来降温，然后使用电阻计量学和傅里叶变换红外光谱法，探测这些纳米液滴中的冰成核温度。结果表明，当液滴大小处于纳米级时，液滴的高界面曲率导致液滴中的压力高达500巴。水的结冰温度随着环境压力的升高而下降，同时，软界面也有助于抑制冰核形成。在环境压力和软界面的双重作用下，2纳米水滴形成冰晶的温度低至-44℃。
微小水滴的成核行为及机制研究有助于更深入地了解自然现象，对从气象学到冷冻保存等一系列科学领域都有深远的影响。例如，有助于理解极寒条件下生物的生存机制，突破人体低温保存技术瓶颈；有助于科学家找到减轻因细胞内微小水滴冻结导致的细胞破裂和死亡这种伤害的方法，对低温保存至关重要；很多复杂的天气状况都涉及到大气中微小液滴的成核过程，了解微小水滴冻结方式有助于理解各种极端气候条件下不同形状的冰粒的形成机制，不仅在水文和气候中起着关键作用，还可以更好地设计冰暴露条件下的技术，例如飞机和风力涡轮机，为设计卓越的防冰仿生设备提供了途径。
参考文献: Freezing of few nanometers water droplets,Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 6973.
责编：朱张航宇