水在105度为什么会结冰（为什么有的水在加热之后才能结冰）

当温度降低至凝固点以下水就会变为冰，这是生活中的基本常识。从微观物理化学角度来讲，液体水变为固态冰是无序的水分子形成规则氢键与形状的冰晶过程，由于低温能够降低水分子的布朗运动，因此水变成冰过程最重要的因素就是降温。

水在低温下快速变成冰

但是与我们认知所相悖的是，有的水在结冰居然需要加热。剑桥大学的Anton Tamtögl和萨里大学的Marco Sacchi领导的一个国际研究小组发现，在分子尺度上，水分子在形成冰之前需要外界一些额外的热量。

Anton Tamtögl和他所在的实验室

这个研究团队观察了水分子在温度为-148℃石墨烯表面上的结晶情况，发现在低温石墨烯表面上的水分子之间最初是相互排斥的，这主要是因为水分子最初以相同的方向附着在冰冷的石墨烯表面——两个氢原子靠近表面，而氧原子高于表面。水分子是电偶极子(氧端带负电，氢端带正电)，所以在这些取向相似的分子之间存在偶极静电斥力，这些偶极静电斥力抑制了分子间形成弱键结冰。当对整个体系加热改变它们的取向方向之后，才使它们的相反电荷极点相互吸引，从而引发成核结冰。

水分子在冰冷石墨烯表面的排列方式，两个白色的氢原子靠近石墨烯表面，红色的氧原子在顶端

为了进一步理解他们的观察结果，Tamtögl和同事们用计算机模拟了不同能量下石墨烯吸附的水分子之间的相互作用。正如他们所预期的那样，通过调节施加的热量大小，就可以控制水分子开启和关闭结晶行为。这项研究是十分有意义的，可能会对航空航空器、通信设备上的防结冰技术提供新的思路，同时它们还可以为冰川的形成和融化提供重要的见解，使研究人员能够更好地量化气候变化对冰冻圈的影响。

参考资料

Tamtögl, A., Bahn, E., Sacchi, M. et al. Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene. Nat Commun 12, 3120 (2021).