作者：李华君 | 中国科学院大学
培养单位：中国科学院物理研究所
审核：李泉 | 中国科学院物理研究所副研究员
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你是否也有过这样的经历？从冰箱里拿出一瓶冰水时，水看起来还是液态的“冰水”，但当你将它倒入容器或者轻轻摇晃一下时，水会瞬间变成冰！
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那么问题来了：为什么水会瞬间“变身”成冰呢？
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这其实是一种非常有趣的物理现象，叫作过冷。
过冷（Supercooling，又译超冷冻）是指液体在温度低于其常规凝固点的情况下，仍然保持液态的特殊现象[1]。
我们上述提到的水就是过冷水，指的就是降到冰点以下，但仍然没有结冰的水。
水的结冰其实是一个结晶过程，这个过程不仅需要足够低的温度来让水分子摆脱原有的稳定状态（也就是克服“自由能障碍”）[2]，还需要一个成核点。所谓成核点，就是水分子可以围绕其形成固态晶格的“支点”，比如水中的杂质颗粒或者容器表面上的微小缺陷。
如果水中没有足够的成核点，即使温度降到冰点以下，水分子也找不到可以排列成冰晶的“基点”，于是液态水就能保持过冷状态，直到某种外部因素触发它迅速结冰为止。
触发过冷水结冰的常见因素包括：
物理扰动：轻轻晃动或碰撞过冷水，会打破其中水分子的稳定状态，触发结冰过程。
杂质或容器表面特性：如果水中加入微小的杂质，或者容器表面具有促进晶核形成的特性，水分子就会围绕这些“成核点”快速形成冰晶，启动结冰。
温度进一步降低：当温度降得更低时，液态水的稳定性会大大降低，水分子更容易进入固态结构，促使结冰发生。
晶核形成：当过冷水被触发时，水分子会开始围绕一个成核点有序排列，形成固体的冰晶结构。这一步是结冰过程的开端。
冰晶扩展：随着冰晶的生成，会释放出一种被称为“潜热”的能量。这种能量会稍微提高周围水的温度，使更多的水分子加入冰晶结构，从而推动结冰过程的扩展。
快速冻结：一旦晶核形成，整个液体中的冰晶会以极快的速度扩展开来，过冷的水瞬间完成由液态到固态的转变。这个过程常被形象地称为“瞬间结冰”。
图源见水印[3]
Kalita 等[4]研究者关于过冷液滴在真空中的冻结过程进行了成像研究，认为该过程成核点为冰碎片，并给出相应的冻结模型：当冷冻开始时，冰枝晶通过液滴展开，在0°C下它从外到内慢慢冻结，形成一个坚硬的外壳，随着内部压力的增加，外壳会受到压力，压力足够高时外壳破裂。这种外壳可以破碎形成冰碎片，也可以破裂形成烟囱状的结构，通过这种结构，内部的气体可以到达表面。这些气泡也可形成冰碎片。任何一种途径形成的碎片都可以使液滴冷冻成核。
纯度的影响：纯净液体更容易进入过冷状态，因为其中没有杂质可以作为晶体形成的“成核点”。
容器表面的影响：容器表面的光滑程度和洁净程度对过冷现象有显著影响。如果容器表面非常光滑且没有杂质，液体更容易保持过冷状态。相反，粗糙或不洁净的表面可能提供成核点，减少过冷的可能性。
冷却速率的影响：快速冷却（例如使用液氮冷却）有助于形成过冷液体，因为快速降温减少了液体内部形成成核点的机会。相比之下，慢速冷却可能会让液体内部逐渐形成微小的冰晶，从而提前开始结冰过程。
外部扰动：过冷液体非常脆弱，任何微小的外界扰动（例如振动、碰撞或液体接触到容器壁上的细小颗粒）都可能打破其平衡，触发液体中的冰晶迅速扩展，导致液体瞬间结冰。
摇摇冰冰 图源见水印
“雨淞” 图源网络
除了我们熟悉的“击水成冰”现象，过冷现象在生活中还有许多有趣的表现形式。
摇摇冰：不仅是纯水，很多饮料也能出现过冷现象。近些年流行于景区和街头的“网红摇摇冰”正是利用了过冷的原理。当饮料处于过冷状态时，轻轻摇晃就能促使液体迅速结冰，形成类似沙冰的口感，既好玩又清凉解渴。
冻雨（Freezing rain）是一种特殊的天气现象。当0℃以下的过冷雨滴降落到地面或物体表面时，会迅速冻结，形成一层光滑的冰。这种现象常导致植物、电线等物体表面覆盖“雨淞”或“冰挂”。虽然冻雨在视觉上很美，但它是一种灾害性天气。例如，2008年我国华南地区的严重雪灾中，冻雨是主要成因之一[5]。
飞机结冰：当飞机穿过含有过冷水滴的云层时，水滴碰到机身或机翼表面会迅速结冰，形成冰层。这种现象会破坏飞机的空气动力性能，影响飞行安全。因此，航空公司会采用防冰措施，比如加热机翼或使用防冰液，以确保飞行安全[6]。
工业领域：在工业和科学研究中，过冷现象被用来探索材料的相变过程，优化冷冻技术。例如，研究者利用过冷现象改进食品冷冻技术，或者研究金属在冷却凝固过程中的微观结构变化。
过冷现象不仅是一种物理学上的奇妙现象，同时在生活和工业中也有着广泛的应用和影响。它既带来了许多趣味的体验，也对我们的日常生活和科技发展有重要意义。
（目前，关于过冷现象以及水结冰的具体机制，科学界尚未达成统一的确切结论。本文提供的内容是一种较为常见的解释，旨在以科普的方式帮助读者了解这一现象。）
参考文献
[1] 维基百科. 过冷
[2] Homogeneous ice nucleation at moderate supercooling from molecular simulation. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 40, 15008–15017
[3] Clues to rain formation found in droplet images. Nature 2023, 620, 494-495.
[4] Microstructure and crystal order during freezing of supercooled water drops. Nature.2023, 620, 557–561
[5] 维基百科. 冻雨
[6] 飞行安全之飞机结冰与防冰. 上海交通大学 董威教授飞行结冰与防冰课题组
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