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甚麼?水不再於0°C結冰?

甚麼?水不再於0°C結冰?

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2021年12月16日   編輯:趙鎧莛

大家都知道,水的冰點和冰的熔點都是0°C,水會凝結成冰,而冰則會熔化成水;當水有雜質時,冰點會降低,也就是說溫度要更低才能令水結冰,不過無論水分子如何頑強,在-38°C都會通通凝結成冰。近日,科學家打破了冰點記錄,重新定義「結冰」這回事﹗

科學家透過實驗,證實水的冰點能夠低至-44°C,在到達這個溫度之前,水仍可保持液態。實驗利用了非常小的小水滴&mdash&mdash由150納米至2納米般小,每滴小水滴都被油包裹著,以防止水在低溫之下形成冰核,從而結冰。之後,研究人員不斷調低溫度,並透過電阻和紅外線來測量小水滴的凝結情況,發現越小的水滴就要越低溫才能結冰;2納米的水滴甚至在-44°C才結冰﹗

當環境壓力越大,水的冰點便會越低,因此科研人員猜測,油這種軟物質改變了水滴的表面壓力,令冰核更難形成;沒有冰核,水滴就無法凝結成冰。了解水為何及如何轉化成冰讓我們更深入認識大自然,例如我們會更了解雲霧的形成、降雪、水循環等氣象及氣候轉變,與生活息息相關。

另外,一些動物生活在極寒環境之中,例如北極的木蛙、南極的頭帶冰魚,牠們的血液和細胞不會因低溫而結冰破裂,認識水和冰之間的關係能讓我們更深入研究這些物種,甚至從而研究人體冷凍技術,突破科學極限。這種水冰轉換關係也可以應用在航空和能源基建上,令建築不會受冰雪或低溫影響而無法運作。

水是生物不可或缺的重要元素,在日常生活中也隨處可見,不過到底這種常見的液體從哪裡來?有學說指,地球形成初期的原始大氣產生化學反應,合成水蒸氣,水蒸氣凝結形成海洋;也有觀點認為,彗星和隕石撞擊地球時一併將水帶到地球。無論哪種學說,水仍有許多謎團等著我們解開﹗

資料來源:Live Science, Tomorrow Science, Nature, Science Alert

圖片來源:Canva, Hakimian, A., Mohebinia, M., Nazari, M. et al.


小詞典

  • 冰點(Freezing point):特指水由液體轉變成固體的溫度,一般物質由液態變成固態的溫度則稱為「凝固點」。大部分物質(包括水)的凝固點(冰點)與熔點相同,例如二氧化碳的凝固點是-78°C、氧氣的則是-218.8°C。
  • 熔點(Melting point):指物質由固體轉變成液體的溫度,一般於凝固點相同,例如冰的熔點是0°C、黃金的熔點是1,064°C。
  • 納米(Nanometre):是一個長度單位,符號是nm,相當於指1米的十億分之一。人們透過納米技術研究於物質在如此微小的規模下的特性、設計方法和組合,以及應用在日常生活之中。
  • 軟物質(Soft matter):指處於固體和理想流體之間的物質,例如液晶、聚合物、膜、泡沫等等。這些物質只需要很少的外力便能夠產生反應,和「硬物質」(固體金屬、陶瓷等)相反。
  • 人體冷凍技術(Cryonics):是一種試驗中的醫學技術,目的是以超低溫(-196°C)保存人體,在未來利用先進的醫療科技解凍復活及獲得治療。除了復活及醫療用途,人體冷凍技術也被視為實現星際旅行的關鍵技術。

動動腦

1.在-38°C時,水分子會發生甚麼事?

2.科學家所創下的新冰點是多少度?

3.科學家用甚麼方法來測量小水滴的結冰情況?

4.科學家認為是甚麼原因令小水滴創下新冰點?

5.這次研究如何影響我們生活?

答案:

1.所有水分子都會凝固成冰。

2.-44°C。

3.利用電阻及紅外線。

4.油(一種軟物質)包裹著小水滴,增加表面壓力,令冰核更難形成;沒有冰核,水滴就不能凝結成冰。

5.讓我們更了解氣象及氣候變化;更深入研究活在極地的物種,甚至研發人體冷凍技術;應用在航空及能源建築,避免受低溫或冰雪影響而停止運作。

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