超冷水的冰點隨電壓改變

Freezing point of supercooled water varies with electric charge
http://www.physorg.com/news184834030.html

By Lin Edwards, February 8, 2010

(PhysOrg.com) -- 正如同水能超熱（superheated）且在沸點以上仍可維持液態般，若無成核（nucleating）表面（例如表面缺陷或塵埃微粒），它也能變得超冷並在其攝氏 0 度的冰點下仍維持液態。現在科學家發現，當表面出現正電荷或負電荷時，超冷水可在不同溫度下結冰。

在缺乏帶電表面的情況下，超冷水能在攝氏 -40 度的低溫下凝固，且人們知道當電場存在時可影響冰點這件事（一種稱為 electrofreezing (電冷凍)的現象）已超過 150 年。此效應的主流假說是：因為水分子具極性，一端帶有一些負電荷，另一端則是正電荷，電場將使它們根據它們的電荷排列。不過此現象難以研究，因為帶電表面（例如金屬）就像是成核媒介，也因此會觸發結冰。

Igor Lubomirsky（來自以色列 Rehovot 的 Weizmann Institute of Science）等人在非成核焦電（pyroelectric）材料表面上創造電荷，僅讓電的效應受到檢查，從而解決了這種困境。

科學家們使用鉭酸鋰（lithium tantalate，LiTaO3）結晶體與薄薄的鈦酸鍶（strontium titanate，SrTiO3）薄膜當作非成核表面，並將它們置於一間溼室（humid room）中。他們接著將房間冷卻直到水滴在表面上形成，接著把溫度繼續降低，直到水滴凝固。

這些結果證明，在沒有電場的情況下，水滴平均在攝氏 -12.5 度結冰。如果表面帶負電，冰點為攝氏 -18 度，如果表面帶正電，水滴在攝氏 -7 度結冰。Lubomirsky 表示，結冰溫度的差異令人驚訝。確切機制並不清楚，而該團隊正在研究中。

他們也發現，他們能藉由「加熱」液態的超冷水使它凝固。在 LiTaO3 結晶體表面帶負電的情況下，水能在攝氏 -11 度保持液態約 10 分鐘，但在電荷消失後，溫度上升到足以在表面誘發正電荷，然後水在攝氏 -8 度結冰。X 光粉末繞射研究顯示，在正電荷表面上的凍結始於固體／水表面（譯註：由下而上），在負電荷表面上則是從空氣／水界面開始結冰（譯註：由上而下）。

這些實驗證明，表面電荷在冰形成上的控制是否為強化或著抑制，而這可能有組織或血液的低溫冷凍或著種雲（cloud seeding）上的應用。

這項研究發表在 2/5 的 Science 期刊上。

※ 相關報導：

＊ Water Freezes Differently on Positively and Negatively Charged Surfaces of Pyroelectric Materials
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/327/5966/672

David Ehre, Etay Lavert, Meir Lahav, Igor Lubomirsky
Science 5 February 2010: Vol. 327. no. 5966, pp. 672 - 675
doi: 10.1126/science.1178085

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