【物理學家發現 室溫下水亦可成冰】

江南布衣

【物理學家發現 室溫下水亦可成冰】

 科學家發現，若將水限制在奈米大小的空間下，就可在室溫下把水變成冰。

（George Frey/Getty Images）
（記者鍾孟侖編譯報導）

 

荷蘭萊頓大學(Leiden University)物理學家發現，若將水限制在奈米大小的空間下，就可在室溫下把水變成冰。

 

當然這並不是物理學家們第一次創造出室溫下的冰，但荷蘭物理學家賈奈許(K.B. Jinesh)和弗蘭肯(Joost Frenken)希望他們的實驗結果能為結束奈米尺度下水結成冰的爭論帶來一線曙光。

 

相較於其他液體，水非常特殊。當在極限下，如二表面之間距離小於水分子直徑的10倍(相當於1奈米)，則多數液體分子變得高度穩定，形成類似固體結構。

 

但對於水，不少理論反對在極限下水分子會呈現凝態的說法。

 

舉例來說，液體水在結冰時，其體積增大，這意味著當限製冰的體積變化為極小時，則很難將水變成冰。

 

有些物理學家認為根據水的特性，在體積受限下水仍保持液體，而有些物理學家則認為水仍會凝固，每個水分子會以氫鍵結合。

 

「有些模擬與實驗顯示，在0.1奈米的極小體積下，水仍然保持液態和本體黏度。」

 

賈奈許說：「然而仍有其它實驗顯示水在極限下黏度改變了，但在文獻上很難解釋這種實驗現象。」

 

美國《物理評論快報》(Physical Review Letters)最近刊載了賈奈許和弗蘭肯的在室溫下將水轉為冰的實驗證明。

 

他們利用高摩擦的鎢探針顯微鏡掃瞄石墨表面，觀察到水在石墨其間快速的經由毛細作用凝結成冰。

 

最近有關於冰在侷限下的結構，已經有團隊在2006年提出證明，但還有更多的固態資訊隱藏在冰的結構中。

 

「我們的實驗結果無疑顯示出，在極小體積下，水能在室溫下結晶。」

 

賈奈許表示：「水的體積性質（bulk property）是否受到侷限影響的爭論似乎可因此前進一大步。」

 

物理學家也以摩擦槓桿(Tribolever)調查了掃瞄速度和相對濕度對鎢探針的影響。

 

在低掃瞄速度和適當的溼度下，鎢探針呈現停走的停滯－滑動運動(stick-slip motion)，物理學家解釋，由於在探針和石墨上的冰碎裂和再凝固，因此有此現象產生。

 

在體積侷限下形成的冰與一般的冰相同，大多數情況，水凝結成六角型的結晶，就是自然界裡最常見的冰結晶。

 

物理學家也觀察到冰的其它特徵。

 

他們發現當溼度更高時，冰只出現在較低的掃瞄速度下。

 

這可能是因為高溼度時水的薄膜較厚，水分子需要更多時間排序，被侷限在針尖也需更長時間。

 

研究同時也觀察由於冰層引起的針尖和基體之間的靜態摩擦。

 

當針尖短暫停留時，冰就有更多的時間凝結，則停滯－滑動運動(stick-slip)的停滯時間就越多。

 

「目前的階段仍很難去發明應用，」

 

賈奈許表示：可預見的困難主要在微機電系統(MEMS)技術和奈米機電系統(NEMS)上，當接觸範圍越小，冰層可能會馬上導致設備故障。

 

在另一方面，當需要時，技術上是可增加摩擦力的。

 

但目前還未實現。