最近这些日子，大家都好好体验了一把真·宅的感觉，你还好么？现在已经复工了，相信很多人的日子也回到了正轨，想一想前不久的时候，出不去门，采购就成了问题。正赶上家里料酒用光了，于是网购了一瓶料酒。
我当时忘了，我是东北人……
哎哎哎别跳戏，这不是我的照片……好好聊科学~
等料酒邮到的时候，冻得那叫一个实诚啊。如果当时往地上扔，玻璃瓶碎了，恐怕料酒冻成的冰都不会碎。
东北人冬天收快递，总是这么充满了惊喜。
神仙水冻成了神仙冰
硬得可以砸核桃，可不是神了吗
尤其是买乌龟的，心理阴影面积得多大。本来买的是乌龟想养，没想到买到家只能炖汤了……
不管是啥，全都能结冰……
有的时候，真的忍不住想问一下：为啥水会结冰？
你可能会说：天冷，一冻就结冰了啊！
别看你说的头头是道，理所当然，实际上，这个问题，连科学家都蒙圈。毕竟，水的结冰过程不是你说一句冷就能解释的，科学家要的是理论依据和实际观测结果。光是说冷就结冰，让人无法信服——难道水分子觉得冷，然后和旁边的水分子商量一下说：“太冷了，咱结冰吧？”然后就结冰了？
一百多年前，美国物理化学家吉布斯（就是提出高中知识“吉布斯自由能”的那个人）等人提出了 “经典成核理论”：他们认为，如果水想结冰，其实是需要一个条件的，那就是结晶核。通俗（但是不准确）地解释，就是有一个让水能够附着的点。比喻一下，就相当于前不久的人们，已经突破临界点了，非常想去逛街、吃喝，只要有一家商场开业了（相当于结晶核），所有的人全都冲进去排队购物吃喝（这些人就相当于水分子）。
（PS：疫情还没结束，大家还是要理智，出去玩也不差最后这几天。）
同样的道理，当水温降到0℃之下的时候，也不是一定会结冰，必须要有结晶核才行。一旦有了结晶核，水就会迅速结冰。当然，这个结晶核也不能太小，否则就跟宋小宝去拔河一样，太难为人家了。
所以，这个世界才会有一种特殊的水——过冷水。也就是说，当水在低于理论上的冰点——0℃时，依然呈现出液态（当然压力要正常，也不能是流水）。根本原因，就在于没有结晶核。
你可能要问：太扯了吧？按照你的说法，我家接一点自来水放在冰箱冷冻层，岂不是也不结冰？
不对。因为你家的水，不是水。
说得可能有点夸张了。准确地说，你家的水，不是纯水。我们上学时刚刚接触化学，首先要学习的就是物质的分类，由同一种单质或一种化合物组成的物质，叫做纯净物，否则就叫混合物。而实际上，我们几乎可以说世界上就没有纯粹的纯净物，我们见到的任何物质，即使纯度再高，也会有杂质。
包括你家的水，其他不说，最起码里面就有水垢吧？也许你家的净水器很牛，除掉绝大部分杂质。即便如此，这样的水里还有氧气吧？否则水是怎么养鱼的？
所以说，虽然你家的水放进冰箱里之后，本身可能没有结晶，但是其他物质低于冰点，代替了结晶核的作用，才让水结冰的。
因此，如果你想得到过冷水，那就必须尽量提高水的纯度。
但是，过冷水本身是不稳定的。只要有少许的扰动，比如给它一个结晶核或者起到类似作用的物质，它就会迅速结冰。
记得小时候看的动画片《海尔兄弟》里，也有这么一集，用的就是这个原理。
还有一个现象，也非常有趣。假如你用一根非常细的铁丝，将一个冰块切开，只要冰块还在那里，被切开的冰块很快就会重新凝结为一整块冰。
如果你想看看过冷水是什么样，也未必非得实验室的设备。你不妨买一瓶纯净水（杂质比较少）——我想你不会不知道外面的瓶装水的纯净水、矿泉水的分类是瞎起名的吧——放到冷冻层，过一段时间，它就会降温到冰点以下。不过，你要注意两点：第一就是温度也别太低了，太难为纯净水；第二就是拿出来的时候，一定要小心，否则晃得太厉害，很快就会冻结。
这还只是矿泉水，如果有条件的话，用高纯度水来做这个实验，更容易得到过冷水。
那么，如果是纯水，难道就不可能冻结了吗？
也不是。且不提世界上没有完全的纯净水这个说法，实际上，如果是纯水，在跌破冰点的时候也会有结晶核出现。不过，这种结晶核的出现，靠什么原理我不知道，感觉更像是靠运气……总之，偶尔会有结晶核出现，提供了冻结的契机。即便如此，对于纯水来说，冻结的速度还是非常慢的。
这一套理论，在一百多年的时间里被广泛讲解，长时间在教学课本里被传授。
可是，科学家却从来没见过所谓的结晶核。大家的推测是，这个结晶核是纳米级别，实在太小；同时它很快就会导致附近的水迅速结冰，所以它的存在只有几纳秒，这两个因素，导致它非常难观测到。
有的人干脆就说：别扯什么结晶核，只要没亲眼看见，我就不信！
这个问题，在去年的时候，终于有了一个完结。解决这个问题的，就是中国的一群科学家，来自中科院化学所、中国科学院大学及河北工业大学的研究人员们——说真的，他们这个研究也有点尴尬。家里问“最近研究啥”，回答“研究水为啥能结冰”，估计家长都后悔给交学费了……
当然，这是开玩笑。毕竟，这是困扰人类一百多年的命题。能够解决这个问题，也是很大的成就。
我现在甚至认为，这个难题，还真的只有中国科学家能够解决。因为这个实验的方法，看起来那么像曹冲称象的原理——找替代物（只是我的感觉，不知道他们是不是真的受到这个故事的启发）。
就像我们说的，因为结晶核极小，存在时间非常短，所以科学家难以检测到。所以，中国的科研人员换了个思路，不去研究结晶核本身，而是找结晶核的替代物，当我们发现替代物达到结晶核的效果——能够让水结冰的临界尺寸，那不就等于找到了结晶核的尺寸吗？
他们选用的，是一种叫做氧化石墨烯纳米片（GOs）的材料。这种材料的特点就是可以起到结晶核的作用，而且尺寸调整相对很简单。经过一系列的实验，科学家发现，只有当氧化石墨烯纳米片的横向尺寸（L）大于临界值200/ΔT nm时，才能有效地促进冰成核。
而这个值，很接近之前科学家们推测的数据。
科学是严谨的，这样一种材料做实验得到的结果，显然是不够的。于是，科研人员又用硅酸镁锂纳米片等材料进行了实验，得到的结果也是一样的。
他们把实验结果编纂为论文《Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets》，发表到了《自然》杂志上。至此，争论了一百多年的结晶核，终于得到了认可。
水结冰，这个人类几百万年来都习以为常的现象，终于有了一个明确的解释。
那么，这个发现的意义在哪里？难道只是为了消解人类的一个执念吗？
当然不是。
那可能是为了照顾我们东北人，让我们冬天别再收到冻成冰棒的快递？
某东北人快递收到的鸡蛋
更不可能……
掌握了水结冰的机制，可以帮助人类更好地控制水的相变（固液气）。这为人类提供了契机，可以控制冷冻食物的鲜度、打造更有效的防冻图层。
更重要的，还在医疗方面。如果我们可以通过结晶核的控制保证水不冻结，就可以更好地冷冻保存人类的细胞组织，这不仅可以在治疗方面起到效果，那些幻想着得绝症时通过冷冻技术保持生命，等到未来再治疗的人们，也看到了曙光。否则，当一个人兴致勃勃准备冷冻起来穿越到未来治病，结果因为体液结冰，活活给冻死，好像就太不划算了……
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