圆形冰块好吃又好玩（来块小编秘制晶莹剔透小冰块儿）
圆形冰块好吃又好玩（来块小编秘制晶莹剔透小冰块儿）冷冻的速度过快，这样会产生大量的小冰晶，而小冰晶之间存在着许多缝隙，这些缝隙会让冰块看起来有云雾一般。水中含有气体，在冷冻的过程中气体无法排出，使得冰块中含有许多气体形成的小孔隙。来源：pixabay这种外观不透明的冰英文中叫做“white ice（白冰）”或者“cloudy ice（多云的冰）”。用多云这个词形容这种不透明的冰可以说是很形象啦，就像用霜降、雪花来形容牛肉一样。要想做出晶莹剔透的冰块，就得先知道冰块为什么会“多云”。冰块多云主要有三个原因：
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夏天已至，小编所能想到的最幸福的事莫过于在空调房里喝一杯加了冰块的肥宅快乐水。尤其是像下面这张图一样，肥宅快乐水配上晶莹剔透的冰块，能喝出威士忌的格调来。
来源：pixabay
可现实却狠狠地打了脸，小编的冰块不是晶莹剔透的，而是白花花的，内部像充满了杂质一样。哎，喝肥宅快乐水的格调瞬间就下来了。那么问题来了，为什么有的冰块很通透，有的冰块却“浑浊不堪”？那当然是冰块它懂物理呀！
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这种外观不透明的冰英文中叫做“white ice（白冰）”或者“cloudy ice（多云的冰）”。用多云这个词形容这种不透明的冰可以说是很形象啦，就像用霜降、雪花来形容牛肉一样。
要想做出晶莹剔透的冰块，就得先知道冰块为什么会“多云”。冰块多云主要有三个原因：
水中含有气体，在冷冻的过程中气体无法排出，使得冰块中含有许多气体形成的小孔隙。
冷冻的速度过快，这样会产生大量的小冰晶，而小冰晶之间存在着许多缝隙，这些缝隙会让冰块看起来有云雾一般。
水中含有无机盐，在冷冻到0℃以下时，它们会逐渐聚集在一起，使得冰块不透明。
前面这两个原因比较好理解，也比较好解决。比如，可以在冷冻之前将水煮沸以除去溶解在其中的气体；可以降低冷冻速度，以减少冰晶的产生，让冰晶长大。可这第三个原因就不太好理解了，为什么结冰的时候无机盐会聚集在一起？
这就需要用相图来解释了，下图就是NaCl-水体系的二元相图，它能告诉我们达到相平衡时，系统的组成与温度之间的关系。下面就拿质量分数为18%的NaCl溶液（图中的红线）来举例子，看看将它冷冻的过程中会发生什么。
常压下NaCl-水体系的二元相图 | 来源：Wikipedia
在15℃的时候，18%的NaCl溶液是液体，当温度降低到0℃的时候，它还是液体。为什么降到0℃了还是液体？经常关注我们问答专栏的小可爱肯定知道是怎么回事（问答专栏No.145），由于稀溶液的依数性，盐水的凝固点会低于纯水的凝固点。这也是撒盐融雪，防止道路结冰的原理。
接下来继续降温，直到温度降到大约-15℃左右才开始结冰，准确地说，是水开始以冰的形式析出，要注意的是，这里所说的“冰”，里面是不含有NaCl的。那么NaCl呢，去哪儿了？哈哈，NaCl没有析出，它还是以溶液的形式存在。也就是说，当温度低于-15℃的时候，会出现两相，一相是不含NaCl的冰，另一相是NaCl溶液。随着温度的降低，越来越多的水以冰的形式析出，那么剩下的NaCl溶液的浓度也越来越高。直到NaCl溶液的浓度达到23.3%，这时候NaCl溶液的浓度不再增加，也不再有冰析出，而是形成了两种固体（两相），一种是冰，一种则是NaCl·2H2O，两者混合在一起。
我们将水冷冻成冰块也是类似的情况，降温的过程中，随着冰的析出，水里的无机盐会逐渐富集在一起，形成高浓度的溶液，最后形成无机盐的水合物。而这些无机盐的水合物就是让冰块不透明的原因之一。
就像下面这幅图一样，冰格中的水是从外部开始冻结，从而将无机盐的水溶液推向冰格中心，所以冰块内部的白色杂质最多。
来源：scienceabc.com
知道了冰块产生“多云”的原因，在家也能做出晶莹剔透的冰块 [1]：
把水烧开，排出溶解的空气，并放凉；
把装满水的容器在冰箱里，一头放在温度更低的地方；
切掉冻出来的冰块“多云”部分。
关键是第二条，冰箱里哪儿有一边温度高一边温度低的地方？哈哈，可以用毛巾把容器的一端包起来，人为制造个温度更高的地方。
与冰有关的一些其他现象也可以用相图来解释。比如，舔冰棒的时候，用力猛吸一口会发现冰棒特别甜。这可不是错觉，而是确确实实更甜，小编亲测有效。其实和上面提到的NaCl溶液类似，冰棒中的糖分和色素在低温下大部分还是以溶液的形式存在的，并且浓度还很高。猛吸一口就能把藏在冰晶缝隙中的高浓度的糖水吸出来，自然比舔冰棒甜。不过，这只能爽一时，剩下的冰棒尽是冰块了，味道特别寡淡，莫得灵魂（别问我怎么知道的）。
来源：giphy
知道了怎样做晶莹剔透的冰块，还能活学活用，用来提纯晶锭，比如提纯锗和硅。原理和制造晶莹剔透的冰块类似，以硅为例，利用杂质在固态硅中的浓度要低于液态硅中的浓度的特点，将杂质都富集到液态区域，从而大幅度减少固体中的杂质含量。用行话来说，就是杂质的分凝系数（分凝系数= 杂质在固相中的溶解度/杂质在液相中的溶解度）通常小于1。
这就不得不提一下提纯硅所用到的区熔法（区域熔炼法，zone melting）。
区熔法示意图 | 来源：Wikipedia
就像上面这张图，将加热器是固定不动，拉动晶柱穿过加热器。这样晶柱上就会有一个狭窄的熔融区域，因为杂质的分凝系数小于1，在熔融区域的固相/液相界面，杂质会从固相往液相的区域扩散。如此一来，如果拉动晶柱向下缓慢地通过狭窄的加热器，处于这个狭窄区域的晶柱就会熔融，杂质不断进入熔融的液相区，而高纯的硅在加热器下方凝固。随着熔融区相对晶柱向上移动，杂质最后会被富集到晶柱的上端。
熔炼结束后把上端有很多杂质的晶柱直接裁掉，剩下的就是高纯硅了。如果纯度还不够，可以用相同的办法再来一遍。裁掉的部分也不要扔，裹上面粉，沾上蛋液，洒上面包糠，炸至两面金黄，隔壁小孩都馋哭了，还能作为提纯用的原料。
刚开始生长的硅单晶（区熔法）| 来源：Wikipedia
区熔法是不是像极了前面介绍的在家制造晶莹剔透的冰块的方法？人为制造固液两相，让杂质都富集到液相，最后把它裁掉。
区熔法不仅是一种提纯的方法，也是一种制备单晶的方法，但是用这种方法制备单晶成本高，并且得到的硅单晶纯度高，一般被用于大功率器件上。半导体工业和太阳电池生产中大多是用直拉法来生产的，直拉法的制造成本相对较低，容易制备大直径的单晶。直拉法形象地说，就是将单晶从一锅液态物质中拉出来。
直拉法示意图，从左往右依次是：多晶硅和掺杂物的熔化；向熔融物中放入晶种；晶体开始生长；缓慢向上提拉棒，同时棒与下面的坩埚之间以反方向旋转；单晶硅生长完成 | 来源：Wikipedia
首先将高纯度的半导体级多晶硅放在一个坩埚中加热至熔融状态，这个时候就可以将硼原子和磷原子之类的杂质原子精确定量地掺入到熔融的硅中，将硅变为P型或N型硅。这个掺杂过程将改变硅的电学性质。然后将籽晶置于一根棒的末端，并将末端浸入熔融状态的硅。然后，将棒缓慢地向上提拉，同时进行旋转。如果对棒的温度梯度、提拉速率、旋转速率进行精确控制，那么就可以在棒的末端得到一根较大的、圆柱体状的单晶晶锭 [2]。
最终得到的硅锭就像下面这个样子，接下来将会切割成圆片，这也是晶圆名字的由来。
单晶硅硅锭 | 来源：Wikipedia
想不到吧，制造晶莹剔透的冰块竟然有这么多的门道~
明天就是六一儿童节了，小编在这里祝大家清凉一夏。
参考资料：
[1] 如何制作出像钻石般纯净的冰块？| 有趣的制造
[2] 柴可拉斯基法，维基百科
编辑：重光
来源：新华号 中科院物理所
