研究人员揭示了一种冰形成的新机制。冰可以通过类似于一种被称为冰0的稀有冰类型的小前体在水滴的自由表面附近形成。这些结构由于表面张力引起的负压效应而容易生成，形成类似于冰0的环形形状，作为冰形成的核心，促进了冰的整体生长。
冰的复杂度远超许多人的想法，科学上已识别出20多种不同形式，每种都是在特定的压力和温度条件下形成的。我们常用来冷却饮料的冰被称为冰I，它是地球上少数几种自然存在的冰类型之一。最近，日本研究人员发现了另一种冰，称为冰0，可以在过冷却水中启动冰晶的生成。
液态水表面附近的冰形成过程可以从具有类似于稀有冰类型冰0的结构的小晶体前体开始。在本月发表于《自然通讯》中的一项研究中，东京大学工业科学研究所“防霜科学”社会合作研究部门的科学家们展示了这些类似冰0的结构可以导致水滴在其表面附近而非中心被冻结。这个发现解决了一个长期以来的谜团，并可能改变我们对冰形成的理解。
冰的结晶，称为冰核化，通常是异质发生的，这意味着它发生在固体表面上，通常是液态水与固体容器接触的边界。然而，这项最新研究表明，冰的结晶也可以发生在水面刚好下方的地方，即水与空气接触的地方。在这个区域，冰围绕着具有与冰0相同环状结构的小前体形成。
研究的主要作者孙刚解释道：“模拟表明，在稳定的温度条件下，水滴更可能在自由表面附近结晶。这一澄清解决了一个长期存在的争论，即结晶是在表面上更常见，还是在内部。”
冰0前体的结构与过冷水非常相似，使水分子能够更容易地从它们聚集结晶，而不需要直接排列成典型的冰结构。这些微小的冰0前体因水的表面张力所导致的负压效应而自发形成。一旦冰的结晶过程从这些前体开始，类似冰0的结构迅速重新组织成更典型的冰I形式。
资深作者田中肇强调了这项研究的广泛影响，提到：“对水的表面结晶过程的理解可以显著影响多个领域，比如气候研究和食品科学，其中水的结晶至关重要。”
提升我们对冰及其形成的理解可以为多个研究领域提供重要见解。这项研究在气象学中可能具有特殊相关性，因为通过类似冰0的前体的冰形成可能会显著影响云中的微小水滴。此外，理解冰在技术上的潜在应用从食品科学到空调都具有重要意义。
