什么样的冰块可以烫死人_风闻

冬天来了，冰雪也要来了。

事实上，冰有十八种之多，每一种都刷新了我们对于水和结冰的认知。本期让我们由浅入深地进入冰晶的世界。

－文字稿－

冰雪，因其天然的热力学特性，常常会被不熟悉的人误以为对自己充满了恶意。更大的误解则是认为，只需要简单抽取热量，就能随意制造冰块或雪花。毕竟人人都知道，在一个标准大气压下，水的温度达到冰点就会变成冰。

但实际上，这个过程远比我们想象的要更加复杂。

 

本质上讲，结冰就是水形成结晶的过程，然而只有水分子的话，这并不是一件容易的事情。例如在对超纯水（LC/MS/QQQ）进行冷却时，经常会出现远低于冰点却没有冻结的情况，也就是所谓的过冷现象（supercooling）。

其原因在于，液态水分子始终在做着无规律运动，也就是大家所熟知的布朗运动。纯水想要冻结，就只能依靠这种自由运动，偶发产生次级键且刚好组合成某种特定的低能高熵构型，也就是晶态，比如最常见的六角形。

这就造成了一种状况：

降低温度虽然可以让偶然出现的结晶继续发育，但是因为水分子碰撞的次数减少，就降低了结晶出现的概率。

更剧烈的分子运动虽然可以带来更频繁的碰撞，提高结晶出现的概率，却又因为运动的剧烈而难以继续结晶。

这就好像两种抽奖机制：在冰点之上中奖机会很高，但是抽中了却不给兑换奖品。在冰点之下，中奖机会大大减少，但是抽中了就确实有兑换的可能。

相比之下，当然还是后者更有机会一些。这就是冰点真正的含义：在这个温度下水成为冰的机会不再为零。然而是否能成、何时能成，依然是一个不可确定的随机事件。

超纯水的这种冻结也被称为均质成核（homogeneous nucleation）。与之相对的是，自然界中的水很难保持真正纯净，其中所含杂质可以成为冰晶生长的起点，也就是结晶核。

这就如同某些抽奖系统事先已经安排好了中奖号码，让某些人可以占尽先机。

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结冰也就因而成为一个大概率事件。因为是由其他物质充当结晶核，所以这被称为异质成核（heterogeneous nucleation）。

这也就解释了，河流湖泊结冰时，为何总是先从水面开始，因为在这种界面交互的地方，气泡和灰尘都可以提供更加良好的成核位置，让结晶顺利成长。

从这种角度讲，为了快速获得冰块，低温当然是必须的，但是注入一些特定的微粒作为结晶核，往往可以发挥奇效。比如人们已经发现，某些细菌（丁香假单胞菌、欧文氏菌属和黄单胞菌）就可以作为高效的活性冰核，催化水的结晶。

更进一步的说，成核的概念并不局限于结晶，而是可以扩展为在物质的局部形成一个独特的热力学相，在气液固三相中皆能发生。举例来说，在饱和蒸汽中形成液滴，在液体中形成气泡，当然也包括晶体和玻璃体，都可以看作成核现象。

有了以上的知识储备，我们就可以对水做更多有趣的事情。

比如，如果可以快速降低水温，在水分子结晶这个过程达到平衡之前，让整体系统的变化速度降低到无法在有限的时间内结晶的程度，就会制造出一种「冰非冰」的奇特状态：此时整个体系几乎失去了流动性，但是又没有形成结晶，它们从本质上讲其实是无法流动的水。这被称为玻璃态，或者无定形冰。

在自然界中，冰陨石等太空中的水，主要就是以这种形态存在。而由于无定形冰并没有形成晶格，其体积不会膨胀，也就不会涨破细胞结构，这就成为了一种活体组织冷藏保鲜的理想方案。

还有更加颠覆性的冰：以氧离子栅格为骨、氢原子核为血，半固半液的离子态冰，冰18。

其制取条件极为苛刻，在超过2000卡尔文的高温下，同时需要气压超过10的11次方帕斯卡，也就是100吉帕（gigapascals），这已经接近于木星金属氢内核的表层压力。在实验室中，可以在几纳秒内，用高能激光多次轰击被金刚石挤压的液态纯水，获得这种结晶。

冰-18除了是一种温度超过2000开尔文的「热冰」，还由于氢原子核也就是质子，可通过氧固态晶格间的空位扩散，所以具有极高的离子电导率——超过100西门子每平方厘米，已经接近于金属的电导率。

至此，我们可以自信地告诉别人：「水是不流动的」「纯水可以导电」，而「冰块可以烫死人」。