什麼樣的冰塊可以燙死人_風聞

冬天來了，冰雪也要來了。

事實上，冰有十八種之多，每一種都刷新了我們對於水和結冰的認知。本期讓我們由淺入深地進入冰晶的世界。

－文字稿－

冰雪，因其天然的熱力學特性，常常會被不熟悉的人誤以為對自己充滿了惡意。更大的誤解則是認為，只需要簡單抽取熱量，就能隨意製造冰塊或雪花。畢竟人人都知道，在一個標準大氣壓下，水的温度達到冰點就會變成冰。

但實際上，這個過程遠比我們想象的要更加複雜。

 

本質上講，結冰就是水形成結晶的過程，然而只有水分子的話，這並不是一件容易的事情。例如在對超純水（LC/MS/QQQ）進行冷卻時，經常會出現遠低於冰點卻沒有凍結的情況，也就是所謂的過冷現象（supercooling）。

其原因在於，液態水分子始終在做着無規律運動，也就是大家所熟知的布朗運動。純水想要凍結，就只能依靠這種自由運動，偶發產生次級鍵且剛好組合成某種特定的低能高熵構型，也就是晶態，比如最常見的六角形。

這就造成了一種狀況：

降低温度雖然可以讓偶然出現的結晶繼續發育，但是因為水分子碰撞的次數減少，就降低了結晶出現的概率。

更劇烈的分子運動雖然可以帶來更頻繁的碰撞，提高結晶出現的概率，卻又因為運動的劇烈而難以繼續結晶。

這就好像兩種抽獎機制：在冰點之上中獎機會很高，但是抽中了卻不給兑換獎品。在冰點之下，中獎機會大大減少，但是抽中了就確實有兑換的可能。

相比之下，當然還是後者更有機會一些。這就是冰點真正的含義：在這個温度下水成為冰的機會不再為零。然而是否能成、何時能成，依然是一個不可確定的隨機事件。

超純水的這種凍結也被稱為均質成核（homogeneous nucleation）。與之相對的是，自然界中的水很難保持真正純淨，其中所含雜質可以成為冰晶生長的起點，也就是結晶核。

這就如同某些抽獎系統事先已經安排好了中獎號碼，讓某些人可以佔盡先機。

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結冰也就因而成為一個大概率事件。因為是由其他物質充當結晶核，所以這被稱為異質成核（heterogeneous nucleation）。

這也就解釋了，河流湖泊結冰時，為何總是先從水面開始，因為在這種界面交互的地方，氣泡和灰塵都可以提供更加良好的成核位置，讓結晶順利成長。

從這種角度講，為了快速獲得冰塊，低温當然是必須的，但是注入一些特定的微粒作為結晶核，往往可以發揮奇效。比如人們已經發現，某些細菌（丁香假單胞菌、歐文氏菌屬和黃單胞菌）就可以作為高效的活性冰核，催化水的結晶。

更進一步的説，成核的概念並不侷限於結晶，而是可以擴展為在物質的局部形成一個獨特的熱力學相，在氣液固三相中皆能發生。舉例來説，在飽和蒸汽中形成液滴，在液體中形成氣泡，當然也包括晶體和玻璃體，都可以看作成核現象。

有了以上的知識儲備，我們就可以對水做更多有趣的事情。

比如，如果可以快速降低水温，在水分子結晶這個過程達到平衡之前，讓整體系統的變化速度降低到無法在有限的時間內結晶的程度，就會製造出一種「冰非冰」的奇特狀態：此時整個體系幾乎失去了流動性，但是又沒有形成結晶，它們從本質上講其實是無法流動的水。這被稱為玻璃態，或者無定形冰。

在自然界中，冰隕石等太空中的水，主要就是以這種形態存在。而由於無定形冰並沒有形成晶格，其體積不會膨脹，也就不會漲破細胞結構，這就成為了一種活體組織冷藏保鮮的理想方案。

還有更加顛覆性的冰：以氧離子柵格為骨、氫原子核為血，半固半液的離子態冰，冰18。

其製取條件極為苛刻，在超過2000卡爾文的高温下，同時需要氣壓超過10的11次方帕斯卡，也就是100吉帕（gigapascals），這已經接近於木星金屬氫內核的表層壓力。在實驗室中，可以在幾納秒內，用高能激光多次轟擊被金剛石擠壓的液態純水，獲得這種結晶。

冰-18除了是一種温度超過2000開爾文的「熱冰」，還由於氫原子核也就是質子，可通過氧固態晶格間的空位擴散，所以具有極高的離子電導率——超過100西門子每平方釐米，已經接近於金屬的電導率。

至此，我們可以自信地告訴別人：「水是不流動的」「純水可以導電」，而「冰塊可以燙死人」。