最低温的水可以有多冷?多数人看到这个问题，脑海里的第一个答案就是0℃，因为生活经验告诉我们，水在0℃时会结冰。

然而，在物理学中，科学家仅将温度视为分子的平均动能——分子运动越缓、振动越慢，温度就越低。当温度降到一定程度时，水分子的速度和振动将不足以摆脱氢键的束缚作用，那么它们就开始聚合成巨大的分子集合体。这些分子集合体又会将邻近的水分子连接过来，成长为冰晶，直至整个水体成为固体。所以，水的冰点实质上是水分子开始形成冰晶的起点，它可以受到很多因素的影响，并不是一个固定值。

在一些情况下，即使温度降到了0℃以下，水也能够以液态形式存在，这时的水也就是所谓的“过冷水”。

(资料图)

高浓度的“抗冻溶液”

在自然界中，“过冷水”并不罕见，最典型的例子来自于北美林蛙——一种拥有特殊过冬本领的小动物。每到寒冷的冬天，北美林蛙将会在森林地面上冬眠，并不需要什么保温挡风的东西。最冷的情况下，北美林蛙的体温低到了-16℃，身体内三分之二的水分都会结冰。这时候，北美林蛙不呼吸、无心跳，宛如一件冰雕制品。然而，北美林蛙体内的冰，主要分布在体腔、皮下、淋巴等不太致命的地方，它们的大脑和内脏仍然储存着充足的液态“过冷水”，保证了大脑细胞和内脏细胞的细胞膜不被冰晶损坏。

体内可以保存零下十几摄氏度的“过冷水”，这是北美林蛙抗冻的绝技。其中的窍门在于，北美林蛙启动“防冻功能”时，将体内的蛋白质、脂肪转化成大量的葡萄糖、尿素，后者会与大脑、内脏中的水结合在一起，形成极高浓度的体液(冬季北美林蛙体内尿素的浓度，可以达到平时的五倍)。高浓度的体液中，由于葡萄糖、尿素分子打破本来可以形成有序氢键、进而产生晶体的水分子的连接，使水分子不得不继续进行无规则的热运动，直到温度降得更低。

所以，北美林蛙通过配置“抗冻溶液”的方法，可以将水的冰点降低到零下十几摄氏度。与之类似的原理也被人类应用——在工业生产中，人类将食盐、尿素、氯化钙、亚硝酸钠等“防冻剂”加入到液态水中，也可以将水的冰点降低至零下十几摄氏度，从而提升机器设备或建筑设施的抗冻能力。

超低温的微小水滴

不添加任何“防冻剂”，纯净的液态水是否也可以制作成“过冷水”呢?答案是肯定的。

2021年11月，科学家发表了一项研究，他们在实验室中设法将纯净液态水的温度降到了-44℃——这也是迄今为止，人类得到的最低温度的液态水。

科学家突破液态水低温极限的关键在于：使用尺寸非常微小的水滴以及为水滴提供一个非常柔软的表面。原因很简单，冰晶最容易在坚硬的表面上形成，但柔软的界面，比如油或凝胶，可以有效抑制冰晶的成长，而水滴越小，也就越容易被柔软表面包裹。

实验中科学家所用的水滴，直径最大的约为150纳米(略大于流感病毒)，直径最小的仅有2纳米(其中只包含275个水分子)。这些水滴统统被柔软的辛烷(一种耐低温的油，凝固点为-56℃)所包裹，然后存放在由氧化铝薄膜制作的孔隙中。

显然，科学家无法直接在纳米尺度上用温度计测量水滴的温度，他们只能通过测量红外光谱和电导率来进行间接测量——由于水和冰的导电性以及对红外光的吸收能力有显著差别，科学家可以通过理论计算将实验数据转化为温度。

实验结果显示，液滴越小，水形成冰的温度就越低。直径仅有2纳米的水滴，其冰点可以降到-44℃。这样的结果是否意味着地球大气和生物细胞内的微小液滴会变得比我们想象的更冷?科学家对此尚无定论，但该研究应该会对人造设备的防冰技术提供启发。比如，航空系统或者能源系统中的设备，如果工程师不希望它们结冰，那么可以将一些软材料融入到这些设备中，抑制冰晶的聚集。总之，有很多方法可以使水的温度降到很低，一旦科学家掌握了这些方法，就可以将其应用于生产和生活中，造福人类。