“冰”变得更冷了：通过从只有几百个分子大小的微小液滴中制造冰，研究人员将水的冰点降低到前所未有的水平，并改变了我们对冰形成方式的了解。
了解水如何以及为什么会变成冰，对于理解各种自然过程至关重要。气候波动、云动态和水循环都受到水冰转变的影响，生活在冰冻条件下的动物也是如此。
例如，木蛙通过让身体结冰来在陆地上过冬。这使它们能够比在水下深冬而不会结冰的物种更快地摆脱冬眠。但是冰晶可以使细胞膜破裂，因此使用这种技术的动物需要找到一种方法来防止冰在其细胞和组织中形成。更好地了解水如何冻结可以更好地了解这些极端物种。
虽然经验法则是水在 32 华氏度（0 摄氏度）时结冰，但在某些条件下，水实际上可以在寒冷的温度范围内保持液态。直到现在，人们认为这个范围在负 36 F（负 38 C）时停止；低于此值，水必须结冰。
但在 11 月 30 日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，研究人员设法在低至负 47.2 华氏度（负 44 摄氏度）的温度下使水滴保持液态。
他们的突破有两个关键：非常小的液滴和非常柔软的表面。他们从 150 纳米（仅比流感病毒颗粒大一点）到 2 纳米（只有 275 个水分子）的小液滴开始。这种液滴尺寸范围帮助研究人员揭示了尺寸在从水到冰的转变中的作用。
“我们涵盖了所有这些范围，以便我们能够了解冰将在何种条件下形成——何种温度、何种尺寸的水滴，”该研究的合著者、休斯顿大学机械工程教授 Hadi Ghasemi 说。“而且更重要的是，我们发现如果水滴被一些柔软的材料覆盖，冻结温度可以被抑制到一个非常低的温度。”
他们使用的软材料是辛烷，一种围绕阳极氧化铝膜纳米级孔内每个液滴的油。这使得液滴在更大的压力下呈现出更圆的形状，研究人员表示，这对于防止在这些低温下结冰至关重要。
由于基本上不可能在这些小尺度上观察到冻结过程，因此研究人员使用电导的测量方法——因为冰比水的导电性更强——以及在红外光谱中发射的光来捕捉液滴转变的确切时刻和温度。水结冰。
他们发现，液滴越小，形成冰的温度就越低——而对于 10 纳米或更小的液滴，冰形成的速度急剧下降。在他们测量到的最小的水滴中，直到水达到令人毛骨悚然的负 44 摄氏度时，冰才形成。
这是否意味着云和生物细胞内的微小液滴会变得比我们想象的更冷？“作为一名科学家，我会说我们还不知道，”加塞米说。
Ghasemi 说，但这一发现可能对人造材料的防冰意义重大，例如航空和能源系统中的材料。如果软表面上的水需要更长的时间来冻结，工程师可以将软硬材料混合到他们的设计中，以防止冰在这些表面上积聚。
“有很多方法可以使用这些知识来设计表面以避免结冰，”Ghasemi 说。“一旦我们有了这个基本的理解，下一步就是基于软材料对这些表面进行工程设计。”
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