水，这种地球上最常见的物质之一，其结冰过程不仅在我们的日常生活中扮演着重要角色，更是科技领域研究的关键课题。从冷饮中的冰块到大气云中的冰粒，水的固态转变无处不在。然而，水结冰的机制却远比我们想象的复杂。最近，北京师范大学物理与天文学院的孙刚教授及其团队在《Nature Communications》上发表了他们对水滴结冰机制的突破性研究，为我们揭开了这一自然现象背后的科学秘密。

在自然界中，水往往以带有气-液界面的形式存在，比如空气中的一滴水或者纳米水膜。这种自由表面的存在如何影响水的结冰过程，一直是科学家们探索的问题。早期的研究认为，由于气-液界面的存在，液体水分子的空间对称性被破坏，不利于形成冰结构最基本的正四面体单元，因此自由表面不利于水的结冰。然而，2017年普林斯顿大学的Pablo G. Debenedetti教授及其合作者通过研究发现，纳米水膜的结晶速率要快于体相水，这意味着气-液界面的出现能够促进水膜或水滴的结晶。

孙刚教授在前人的基础上，利用经典分子动力学模拟的方法，从微观角度观测到了自由表面促进结晶的过程。他们发现，水结冰并不是在自由表面上，而是在靠近表面的区域。这一发现颠覆了我们对水结冰过程的传统认知。

研究团队发现，气-液界面的存在不仅破坏了体相液体水分子的结构对称性，还造成了压强分布的不均匀，尤其是在靠近表面附近出现负压区。对于水等一类的四面体类型液体，由于在结晶过程中体积会发生膨胀，压强越低越有利于结晶，尤其是负压更有利于这类液体形成有序的局域结构。

此外，孙刚教授及其合作者提出了新的几何结构的描述方法——环分析法。这种方法能够更准确地表征界面附近水分子的有序化结构，即一种与冰的第零相对称性相似的有序结构(Ice0-like precursor)。这种隐藏在自由表面附近的有序结构是水结晶过程中的重要前驱体，在结晶过程中发挥着重要的促进作用。

通过经典分子动力学模拟的方法，研究团队直接观测到了自由表面下水结冰的微观动力学过程。他们发现无论是在水膜还是水滴中的结晶现象都优先发生在靠近表面的区域而不是在水膜或者水滴的内部。此外，他们还成功地利用环分析法识别出了隐藏在表面附近水的有序结构，这种神秘的有序结构具有与冰的第零相(Ice0 phase)相似的对称性。

这项研究不仅让人类在分子层面对结晶的微观机制有了更进一步的理解，也对其他自然科学领域，如大气科学和技术等，有着重要的推动作用。随着对水结冰机制的深入研究，我们有望在未来的科技应用中，如生物细胞保护、空调系统优化等方面，取得更多的突破。

总结来说，孙刚教授及其团队的这项研究为我们提供了一个全新的视角，让我们对水结冰这一自然现象有了更深刻的认识。随着科技的不断进步，我们期待这些研究成果能够转化为实际应用，为人类社会带来更多的福祉。

来源: 秒懂化学