冷表面上的水必须加热冻结

一个国际研究团队发现，冷表面上的水分子需要一些额外的热量在形成冰之前。他们的新实验发现，冷石墨烯表面上的水分子最初彼此排斥，直到额外的能量允许它们重新定位并形成静电键。调查结果填补了我们对冰层的了解 - 并且可能导致控制冻结过程的新方法。

当液体水遇到冷表面时，冰可以通过成核的过程快速形成，其中单独的水分子彼此聚结，形成更大的固体晶体。虽然成核已经广泛研究了宏观规模，但难以研究分子尺度，因为它发生在几十米秒的时间尺度上，这对于传统仪器来说太快了。

现在，由剑桥大学（现在在Graz Technology of The Graz Technology大学）和Marco Sacchi领导的研究人员在萨里大学观察了使用称为氦-3旋转回声的技术对分子尺的成核。首先在剑桥开发，该技术涉及散射来自表面上的分子的旋转偏振氦原子束。原子在PICOSecond规模上以规则的时间间隔分开的波分组中的表面。表面上的分子的运动导致使用自旋回波技术检测的连续散射波分组的相位的差异。

实验表明，水分子最初将具有相同取向的冷石墨烯表面附着：两个氢原子靠近表面，同时氧原子升高在表面上方。水分子是电偶极子（氧气结束带负电，氢末端带正电荷），因此在这些类似取向的分子之间存在偶极静电排斥，这抑制了核心。该团队发现，只有通过加热分子来改变其取向，才能克服该障碍，使其对其相对的电荷可以相互吸引，起始成核。

为了了解他们的观察，Tamtögl和同事确实在不同能量下吸附水分子之间的相互作用的计算机模拟。正如他们所希望的那样，改变施加的热切换成核的量，同意实验观察。

该团队的结果可能导致对风力涡轮机，飞机和电信设备的冰形成冰形成的新技术。他们还可以在冰川和冰板中提供重要的见解和冰川和冰板融化 - 让研究人员更好地量化气候变化对冰区的影响。