科學的「無人之境」— 超冷水

你看過放在冷凍庫的水，明明已經降到0度以下，可是卻沒有結冰嗎？或是飛機飛過高空的雲層，機翼上會有冰粒，可是明明氣象預報沒有冰雹阿？其實這些都是超冷水造成的啦。

超冷水，表示當水降到熔點之下卻仍然保持液態的現象。平常的降溫過程，水分子會依附著晶核逐漸成長，便是我們俗稱的「結冰」；但是，若水中不存在灰塵或是雜質等可作為晶核的對象，即使不斷降溫，液態的水仍有可能不會凝固，保持流體的性質，這就是超冷水。

舉例來說，放在冷凍庫的水，由於瓶中缺乏晶核，即使降到冰點以下仍然不會結冰，瓶身也不會爆開（冰的體積較大）。在雲層間也存在超冷水，當飛機飛過，機翼會對超冷水造成擾動，使其快速凝固而殘留冰晶。

其實透過網路搜尋可以發現，這種科學現象並不難達到，幾乎人人都有能力完成一杯「超冷水」；不過，若要做出一杯攝氏-43度～-48度的超冷水，可就不像字面上那麼容易了，隨著溫度降低，要維持超冷水在液態便越來越困難，在如此低溫下的超冷水，甚至被科學家稱為「無人之境」。

最近，科學家們終於在「無人之境」裡跨出了新的一步[1]（發表於Nature期刊上），他們首次觀測到低溫超冷水的內部結構！他們將低溫的超冷水由噴槍射出，在其飛行軌跡上，利用X光分析超冷水珠裡水分子的排列結構。結果顯示，小水珠不斷蒸發並降溫的過程中，水分子的排列會越趨整齊，且結構改變的速度也隨著溫度的降低而加快。

這項研究不只可以對超冷水的特性有所探討，相同的技術也能應用在觀察水的其他狀態上。畢竟水可說是地球上最重要的物質，對它的性質有更精確的研究將能幫助我們加深對自然現象的了解。

參考資料：

1. Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature, Nature, DOI: 10.1038/nature13266

資料來源：Researchers reveal secrets of supercooled water Science Alert [July 02, 2014]