从液态水制冰非常简单。然而，弄清楚这种转变背后的分子过程已被证明要困难得多。但在今天发表在《自然》杂志上的一份报告中，科学家们描述了他们如何使用一台超级计算机来精确确定将水结晶成固态冰所需的特定条件。
以前对水结冰的模拟对系统施加了人为条件，或导致结晶状态与大气压下形成的状态不同。详细了解水的结冰过程非常复杂，因为该物质倾向于达到过冷状态，在这种状态下，即使冷却到远低于其冰点，它仍然保持液态。过冷水只有在形成所谓的临界核后才会变成冰，临界核会生长直到整个样品结晶。在这项新工作中，日本名古屋大学的松本正和及其同事着手揭示这种临界核如何在液态水中形成的分子水平细节。他们使用对作用在 512 个水分子上及其之间的力的计算，计算了 512 个水分子相对方向的变化。他们报告说，相邻水分子之间自发出现几个异常持久的氢键是冰形成的第一步。“初始核然后缓慢地改变形状和大小，直到它达到允许快速扩张的阶段，”作者写道，“导致整个系统的结晶。”
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尽管对冰箱中工作过程的新理解不会改变从中取出的冰，但这些发现确实为结晶提供了更普遍的见解。印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心的 Srikanth Sastry 表示：“了解水的行为可以帮助我们解决其他问题，例如液体何时容易形成无序玻璃态——这在设计非晶材料中是一个重要问题。”