河里结冰为什么有泡泡？水结冰真是怪

河里结冰为什么有泡泡？水结冰真是怪真是怪了，水进入细小的硅管后，怎么就变得如此奇异了呢？科学家又试验了其它液体，都没有出现像水这样的，钻入纳米大小的细管内就不结冰了的怪异行为。原来水被大墙限制了情况是这样的：研究者把水吹入微小的硅管中，硅管的直径在纳米尺度范围内（1～100纳米），然后把硅管放入低温室内冷冻，即使硅管并没有清洗，充满了微尘，即使温度降到了零下150℃以下，硅管内的水却没有结冰！硅管内的水并不缺少结冰所需的晶核，低温条件也足够，它为什么不结冰？也许是硅管太细小，毛细现象导致气压降低的原因吧。研究者意识到这一点后，把硅管放入压强可以变化的气压室中，结果气压由一大气压升高到3000大气压，硅管内的水还是顽固地保持着液体状态！不仅如此，研究者发现，水在温度处于大约零下60℃时，水虽然没有结冰，但是水好像变了一种状态，最明显的就是密度，水的密度突然变小了，体积也突然变大了。这个现象，上世纪90年代就已经有人发现了：过

水是地球上最丰富的液体，也是组成生命体的最主要成分，而水也是最不简单的液体，展现出一个又一个谜团等待我们去破解，至今我们还不能说对水已经完全了解。

例如，水结冰时，如果没有杂质、气泡、微小晶粒，又是完全静置，即使水的温度远远低于0℃，水也会保持液体状态而不结冰。例如：一瓶纯净水在零下20℃的冰箱内呆了一宿，都还没有结冰，但是一旦把水拿出来，它马上就结冰了。这是因为突然的动荡也会导致过冷的水结冰。

当然这是常见的现象，也是已经解决了的问题，不足为奇。但是近来研究者发现，在一些情况下，即使把水的温度降低到零下100多摄氏度，气压升高到几千大气压，水竟然照样还是液体状态!

细管内的水就是不结冰

情况是这样的：研究者把水吹入微小的硅管中，硅管的直径在纳米尺度范围内（1～100纳米），然后把硅管放入低温室内冷冻，即使硅管并没有清洗，充满了微尘，即使温度降到了零下150℃以下，硅管内的水却没有结冰！硅管内的水并不缺少结冰所需的晶核，低温条件也足够，它为什么不结冰？

也许是硅管太细小，毛细现象导致气压降低的原因吧。研究者意识到这一点后，把硅管放入压强可以变化的气压室中，结果气压由一大气压升高到3000大气压，硅管内的水还是顽固地保持着液体状态！

不仅如此，研究者发现，水在温度处于大约零下60℃时，水虽然没有结冰，但是水好像变了一种状态，最明显的就是密度，水的密度突然变小了，体积也突然变大了。这个现象，上世纪90年代就已经有人发现了：过冷水在一定温度下会发生一种液体状态向另一种液体状态的转变，这两种状态下，水分子的排列完全不同，水的密度也会有突然的变化，与水结冰时密度的突然变化类似，但水却没有结冰。

原来水被大墙限制了

真是怪了，水进入细小的硅管后，怎么就变得如此奇异了呢？科学家又试验了其它液体，都没有出现像水这样的，钻入纳米大小的细管内就不结冰了的怪异行为。

经过仔细分析，研究者认为，这应该与水的怪异性质有关，一般的液体都是热胀冷缩的，结冰时，体积会缩小，而水不然，在约4℃以上是热胀冷缩，而在4℃以下，一直到结冰，这个过程中，水是热缩冷胀的，尤其是水变成冰的瞬间，水的体积会突然增大。

而局限在细小管内的水由于受到空间狭小的局限，水分子想手牵手排列起来形成体积更大的固体，很难。当然，如果水分子够多，几亿亿个水分子对管壁的推力是能够把细管撑裂，但纳米细管内的水分子数量有限，不足以推倒“大墙”。于是，水即使在其它条件足够的情况下，也难以结成规则的团体（冰）。

不过，水分子们还是会努力抵抗细管的局限，在达到一定的低温时，水分子集体的力量还是能让自己争取到更大一点的空间的，于是它们会在约60℃发生转变，体现出来就是水的体积突然变大了。

结冰时，水滴喷射

关于水的结冰，还有一种一般人观察不到的有趣现象。

研究雷雨的科学家在光学显微镜下观察过一滴水的结冰过程。一滴水一般在过冷的情况下（温度略低于0℃），才会结冰，而且是从水滴的最表面开始形成一层冰壳，之后过冷的水滴温度马上跳升到0℃，内部陆续结冰，直到完全变成冰珠，整个过程，水滴的温度基本都是保持在0℃，这不足为奇。

有趣的是，整个结冰过程中，从冰壳表面竟然会连续地喷射出大量细微水滴（直径1～20微米），一个结冰过程中的水滴简直就像一个微小的喷雾器！更值得关注的是，喷出的这些细微水滴都是带正电的，结冰中的水滴则是带负电的！

究其原因，还是水在结冰时体积会增大的性质导致的。由于水滴表面的晶核多，温度比水滴内部低，水最先从水滴表面结冰，从而形成一层冰壳。但是内部的水要想结冰，就需要撑开这层冰壳，但每次冰壳被撑开时都会突然而又剧烈，内部未结冰的水分子正在“努力向外用力”呢，冰壳的突然裂开会让它们来不及“刹车”，从而从裂开的缝隙中跑了出来。这就像集体推一面墙，如果墙突然倒下，推墙的人会来不及撤力，而由于惯性，随墙的倒下会向前摔个趔趄。

至于跑出来的细微水滴为何带正电，原因可能是这样的：水通常会分裂成氢正离子和氢氧负离子，因此水可以看成是氢正离子的脑袋和氢氧负离子的身体组成的。当冰壳被撑开的瞬间，水分子们纷涌而出，冰缝中间的水分子可以自由喷出，但位于冰缝边缘的水分子就惨了，身体较大，很容易被冰缝边缘卡住，只有较小的脑袋被挤了出来，并被冰缝细刃般的边缘切下，这样氢正离子就被其它水分子携带了出来，而氢氧负离子的身体却留在了水滴冰壳内。于是细微水滴带正电，结冰的冰珠就带上了负电。

对小水滴结冰过程的研究很有用，因为云就是由无数小水滴组成的，长期以来，气象学家就对云内为什么会出现正负电荷的分离困惑不解，并提供了诸如摩擦生电之类的多种解释，但这个小水滴结冰过程的正负电荷分离现象，应该可以为气象学家提供一个更合理的参考。

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