科學家剛剛已證實,水的凝固點可以比我們認為可能的溫度還要來的更低。

極冷液態水

藉由取很小滴、尺寸只有 150 奈米的水滴,休士頓大學(University of Houston)的工程師團隊已經將臨界溫度門檻推至攝氏 -44 度,而且更顯著地是,他們準確地測量出這個溫度。

這不僅僅是在工程師群組中能夠炫耀的有趣事情,這項成就也可以幫助我們更了解水是如何結凍的,這在一系列的科學領域都有影響,從氣象(meteorology)到冷凍保存(cryopreservation)。

美國德州休士頓大學的機械工程師哈蒂·加薩米教授(Hadi Ghasemi)說:「實驗上,探測幾個奈米水滴的凝固點一直以來是個未解決的挑戰。在此,藉由新研發的計量學,我們已能夠探測從微米尺度縮小至 2 奈米規模時水滴的凝固。」

特殊的水

我們大部分的人都不會對水想太多,因為它隨處可見,而且對我們的生存是必須的。但事實上,常見的水其實相當詭異:它表現得並不像其他液體。即使是其結凍的方式也是詭異的:當其他液體的密度會隨著冷卻下來而增加,當水凝固時,其密度反而會減小。

水的表現已被相當地描述與研究。比方說,我們知道水在許多溫度下會傾向於成核、或者形成冰晶,有時候它們能抵抗這個過程至攝氏 -38 度。但再冷卻下去,即使最頑固的水分子都會集結一起而形成冰。

藉由將奈米水滴放置於一個柔軟的表面,例如膠或是脂類,加薩米教授與其同事將這個溫度繼續往下推。接著,藉由使用電阻計量學以及傅里葉轉換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)來取得溫度,他們在水結凍時探測了水滴。

介於表面與小水滴間的柔軟介面,似乎在抑制冰成核上扮演了角色,很可能是由於該介面在水滴上產生了很大壓力的方式而造成。這是因為水的凝固點會隨著環境壓力的上升而下降。最顯著的效果在僅有 2 奈米的水滴上被看到。

加薩米教授說:「我們發現,如果水滴與柔軟的介面接觸的話,凝固溫度可能就會比與硬表面接觸時來的更低很多。此外,若是與柔軟介面接觸的話,幾個奈米的水滴可以避開結凍至攝氏 -44 度。」

研究貢獻

小水滴冷凍的方式對於冷凍保存而言非常重要,因為細胞內小水滴的冷凍能夠造成那些細胞破裂而死。學到如何減緩或是停止那項過程能夠幫助科學家找到方法來緩解該效果。

它亦可以幫助我們更佳地了解大氣中的成核是如何發生的,而在那微小的水滴會凝結。此外,研究人員說,它也可以幫助我們更佳地設計會因為暴露於冰下而被影響的科技,例如飛機與風力發電機。

研究人員在論文中寫到:「這些發現與古典成核理論的預測很一致。了解這個對於更佳地了解自然現象、以及替航空、風能、以及基礎建設、甚至是冷凍保存系統設計合理的防結凍系統而言,都貢獻良多。這些發現提供了對各種大自然現象的理解、以及提供一條路來設計更好的抗冷凍仿生學、或者光滑的液體浸潤介面。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2021, December 10). Scientists Smash Temperature Record on Keeping ‘Freezing Cold’ Water in Liquid Form. Futurism
  2. Hakimian, A. et al., (2021, November 30). Freezing of few nanometers water droplets. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-021-27346-w
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-break-a-temperature-record-on-keeping-freezing-cold-water-in-its-liquid-form(圖:Alexander Nikitin/moment/Getty Images)
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