當溫度降低至凝固點以下水就會變為冰，這是生活中的基本常識。從微觀物理化學角度來講，液體水變為固態冰是無序的水分子形成規則氫鍵與形狀的冰晶過程，由於低溫能夠降低水分子的布朗運動，因此水變成冰過程最重要的因素就是降溫。
水在低溫下快速變成冰
但是與我們認知所相悖的是，有的水在結冰居然需要加熱。劍橋大學的Anton Tamtögl和薩里大學的Marco Sacchi領導的一個國際研究小組發現，在分子尺度上，水分子在形成冰之前需要外界一些額外的熱量。
Anton Tamtögl和他所在的實驗室
這個研究團隊觀察了水分子在溫度為-148℃石墨烯表面上的結晶情況，發現在低溫石墨烯表面上的水分子之間最初是相互排斥的，這主要是因為水分子最初以相同的方向附著在冰冷的石墨烯表面——兩個氫原子靠近表面，而氧原子高於表面。水分子是電偶極子(氧端帶負電，氫端帶正電)，所以在這些取向相似的分子之間存在偶極靜電斥力，這些偶極靜電斥力抑制了分子間形成弱鍵結冰。當對整個體系加熱改變它們的取向方向之後，才使它們的相反電荷極點相互吸引，從而引發成核結冰。
水分子在冰冷石墨烯表面的排列方式，兩個白色的氫原子靠近石墨烯表面，紅色的氧原子在頂端
為了進一步理解他們的觀察結果，Tamtögl和同事們用計算機模擬了不同能量下石墨烯吸附的水分子之間的相互作用。正如他們所預期的那樣，透過調節施加的熱量大小，就可以控制水分子開啟和關閉結晶行為。這項研究是十分有意義的，可能會對航空航空器、通訊裝置上的防結冰技術提供新的思路，同時它們還可以為冰川的形成和融化提供重要的見解，使研究人員能夠更好地量化氣候變化對冰凍圈的影響。
參考資料
Tamtögl, A., Bahn, E., Sacchi, M. et al. Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene. Nat Commun 12, 3120 (2021).
