水，這種地球上最常見的物質之一，其結冰過程不僅在我們的日常生活中扮演著重要角色，更是科技領域研究的關鍵課題。從冷飲中的冰塊到大氣云中的冰粒，水的固態轉變無處不在。然而，水結冰的機制卻遠比我們想象的復雜。最近，北京師范大學物理與天文學院的孫剛教授及其團隊在《Nature Communications》上發表了他們對水滴結冰機制的突破性研究，為我們揭開了這一自然現象背后的科學秘密。

在自然界中，水往往以帶有氣-液界面的形式存在，比如空氣中的一滴水或者納米水膜。這種自由表面的存在如何影響水的結冰過程，一直是科學家們探索的問題。早期的研究認為，由于氣-液界面的存在，液體水分子的空間對稱性被破壞，不利于形成冰結構最基本的正四面體單元，因此自由表面不利于水的結冰。然而，2017年普林斯頓大學的Pablo G. Debenedetti教授及其合作者通過研究發現，納米水膜的結晶速率要快于體相水，這意味著氣-液界面的出現能夠促進水膜或水滴的結晶。

孫剛教授在前人的基礎上，利用經典分子動力學模擬的方法，從微觀角度觀測到了自由表面促進結晶的過程。他們發現，水結冰并不是在自由表面上，而是在靠近表面的區域。這一發現顛覆了我們對水結冰過程的傳統認知。

研究團隊發現，氣-液界面的存在不僅破壞了體相液體水分子的結構對稱性，還造成了壓強分布的不均勻，尤其是在靠近表面附近出現負壓區。對于水等一類的四面體類型液體，由于在結晶過程中體積會發生膨脹，壓強越低越有利于結晶，尤其是負壓更有利于這類液體形成有序的局域結構。

此外，孫剛教授及其合作者提出了新的幾何結構的描述方法——環分析法。這種方法能夠更準確地表征界面附近水分子的有序化結構，即一種與冰的第零相對稱性相似的有序結構(Ice0-like precursor)。這種隱藏在自由表面附近的有序結構是水結晶過程中的重要前驅體，在結晶過程中發揮著重要的促進作用。

通過經典分子動力學模擬的方法，研究團隊直接觀測到了自由表面下水結冰的微觀動力學過程。他們發現無論是在水膜還是水滴中的結晶現象都優先發生在靠近表面的區域而不是在水膜或者水滴的內部。此外，他們還成功地利用環分析法識別出了隱藏在表面附近水的有序結構，這種神秘的有序結構具有與冰的第零相(Ice0 phase)相似的對稱性。

這項研究不僅讓人類在分子層面對結晶的微觀機制有了更進一步的理解，也對其他自然科學領域，如大氣科學和技術等，有著重要的推動作用。隨著對水結冰機制的深入研究，我們有望在未來的科技應用中，如生物細胞保護、空調系統優化等方面，取得更多的突破。

總結來說，孫剛教授及其團隊的這項研究為我們提供了一個全新的視角，讓我們對水結冰這一自然現象有了更深刻的認識。隨著科技的不斷進步，我們期待這些研究成果能夠轉化為實際應用，為人類社會帶來更多的福祉。

來源: 秒懂化學