水結(jié)冰后,分子集群間的距離被拉大。圖片來源:Victoria Buch、Cristoph Pradzynski、Udo Buck
這聽起來也許有些像禪宗心印,但它確是一個(gè)嚴(yán)肅的科學(xué)問題:制造一個(gè)最小的冰晶需要多少個(gè)水分子?
由于晶體被定義為分子在三維空間呈周期性重復(fù)排列的固體,因此,人們未必能夠?qū)⑷魏握尺B在一起的一小團(tuán)分子集群稱為晶體。
而且,這一觀點(diǎn)尤其適用于水:當(dāng)水溫降低凝結(jié)成冰后,那些將水分子松散地束縛在一起的薄弱氫鍵會(huì)把無秩序的分子集群(圖左)間的距離拉扯得更大,最終形成籠子似的排列布局(圖右是新分子集群的橫斷面),但同時(shí)也變得更加剛硬。這種寬敞的晶格也是冰的密度之所以比水低的原因――因此冰能夠漂浮在水面上。
為了計(jì)算出形成一個(gè)冰晶晶格所需要的最小分子量,一個(gè)研究小組用紅外線激光器照射了一些能容納80到500個(gè)分子的水分子集群。參與這項(xiàng)研究的科學(xué)家特別注意了這些水分子集群從波長(zhǎng)在2.63微米到3.57微米間的激光中吸收了多少能量――在這一波長(zhǎng)范圍內(nèi),激光能使水中的氫氧鍵持續(xù)不斷地伸展和收縮。
該研究小組發(fā)現(xiàn),一個(gè)特殊的能量吸收峰值出現(xiàn)在激光波長(zhǎng)大約達(dá)到3.125微米時(shí)――這反映出冰的光譜特性,以及僅出現(xiàn)在包含超過275個(gè)水分子的集群中。研究人員將相關(guān)研究成果發(fā)表在了近期的《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。研究人員指出,這一數(shù)量的水分子能夠產(chǎn)生一個(gè)大小在1毫微米到3毫微米間的微小冰簇――碎冰晶的極限體積。
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