從液態水製冰非常簡單。然而，弄清楚這種轉變背後的分子過程已被證明要困難得多。但在今天發表在《自然》雜誌上的一份報告中，科學家們描述了他們如何使用一臺超級計算機來精確確定將水結晶成固態冰所需的特定條件。
以前對水結冰的模擬對系統施加了人為條件，或導致結晶狀態與大氣壓下形成的狀態不同。詳細瞭解水的結冰過程非常複雜，因為該物質傾向於達到過冷狀態，在這種狀態下，即使冷卻到遠低於其冰點，它仍然保持液態。過冷水只有在形成所謂的臨界核後才會變成冰，臨界核會生長直到整個樣品結晶。在這項新工作中，日本名古屋大學的松本正和及其同事著手揭示這種臨界核如何在液態水中形成的分子水平細節。他們使用對作用在 512 個水分子上及其之間的力的計算，計算了 512 個水分子相對方向的變化。他們報告說，相鄰水分子之間自發出現幾個異常持久的氫鍵是冰形成的第一步。“初始核然後緩慢地改變形狀和大小，直到它達到允許快速擴張的階段，”作者寫道，“導致整個系統的結晶。”
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儘管對冰箱中工作過程的新理解不會改變從中取出的冰，但這些發現確實為結晶提供了更普遍的見解。印度賈瓦哈拉爾·尼赫魯高階科學研究中心的 Srikanth Sastry 表示：“瞭解水的行為可以幫助我們解決其他問題，例如液體何時容易形成無序玻璃態——這在設計非晶材料中是一個重要問題。”