审核专家：孟梦

中国科学院物理研究所副研究员

魔术向来给人们带来无限的神秘感，尤其是街头魔术，甚至可以在没有任何道具的情况下完成，比如让一杯水瞬间结冰。

让水瞬间结冰的魔术很多人都见过，大家都非常好奇魔术师是如何做到的，这里面究竟有什么奥秘，今天就让我们来一探究竟吧！

其实让水瞬间结冰并不难，只需要一杯过冷水即可，那所谓的过冷水又是什么呢？

在温度降低的凝结过程中，水中缺少起凝结核心作用的固态、液态和气态的气溶胶质粒，也就是缺少凝结核的时候，再或者由于某些其他原因，在0℃以下还保持着液态的水叫过冷水。其中过冷水的温度低于饱和温度（液体和蒸气处于动态平衡状态时的温度），饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽的温度等于饱和温度，过热蒸汽的温度高于饱和温度。

区别于上述概念，在工程热力学中，当水温低于饱和温度时（常压下为0℃）称为过冷水。

水的冷凝和气化的不平衡会持续很长时间。水凝固在冰上所需要的条件是必须有凝结液且足够纯净。只要达到条件水就会结晶，变成冰浮在水中，也可以在容器的壁上凝结。但是没有这些条件的话，液体的水不会冻结，会长时间停留在冰点下。这个时候凝结核突然侵入的话，马上就会结冰。可由于水中没有凝结核、时间、温度没有达到要求，在0℃以下水还可以保持液体状态。

过冷水其实是过于纯的液体水，凝固时没有“结晶核”。如果稍微加少量固体或者摇晃液体，液体就会迅速凝固。

为什么水会结冰？因为水中的杂质能提供结晶。而过冷水是很不稳定的，所以过冷水摇晃的话，可以使温度升高，这样子过冷水就会冻结啦！

很多人简单了解过过冷水之后会认为：只要在静置时，到了零下不结冰就是冷却水，但是真的是这样吗？

并非如此，至少纯化水就是反例，而且这两者在零下不结冰的原因大相径庭！

纯化水的温度在零度以下时，水分子的运动状态是完全的水分子在周围移动。两个水分子近距离或碰撞氢键，只能建立一个氢键。但是很快，两个水分子的动量作用于氢键。在0℃或-40℃时，一个氢键的能量不等于两个水分子的动能，所以水仍然是液体。

过冷水在结晶过程中，实际需要的结晶温度比理论上的结晶温度低。在一定的压力下，液体的温度低于压力下液体的凝固点时，液体不凝固，这种液体处于热力学不稳定状态，但是在外部各种因素的影响下，它可以快速凝固，使温度上升。

除此之外，液体纯度也是非常重要的一环，它决定过冷现象的明显程度。研究显示，高纯度的水在-40℃才开始结冰。这是因为液体太纯了没有足够的结晶核无法进行凝固。因此，当水一定要冻结时，需要克服核形成阶段的冰水界面的“阻力”，这是无法自发完成的。需要凝结核达到一定规模时，才会变成冰。

过冷水的凝结核在形成阶段会有阈值。一旦穿过它，过冷水马上就会结冰；不能穿过阈值的话就不会结冰；温度正好等于冰点的时候，因为不能超过阈值，也不会冻结。

当温度低于冰点时，局部温度发生变动，导致局部核形成。如果结晶核形成一定的大小，剩下的就不用担心了，它可以自动快速成长结冰。但是，如果由变动产生的结晶核太小，没有超过结冰的阈值，结晶核就会自动融化，不会形成冰。除了这些，还要明白的一点是：温度越高，阈值越高，生成足够的原子核并生长就越困难。

为什么会出现过冷水主要是温度越低，阈值越低，有效原子核的生成就越容易。结晶核形成后，剩下的水分子附着在核上，迅速生长，这就是过冷水突然结冰的原因。其实对于过冷水来说，结晶核的形成依靠于波动，所以水不均匀流时反而有利于结晶核的生长。

那为什么冷水也会瞬间结冰呢？这是因为冰水界面大幅减少，阈值也大幅减少。过冷水是一个亚稳状态，因此摇晃杯子、插入玻璃棒就会瞬间结冰，冰很快就会形成！

将纯净水放入冰箱的冰柜中，在-24℃的环境中冷冻。此时，水的温度低于零度凝固点，但不会结冰，得到的就是过冷水。接下来一定要轻轻地从冰箱中取出过冷水。在这之后轻敲瓶子或者摇晃，就会看到一瓶透明的水瞬间变成了半透明的冰块，瓶子里的水很快就结冰了。因为所谓的纯净水不可能完全纯净，就是说它内部的凝结核是很少的，如果温度进一步降低，它就会结冰。

当然也可以让外界给它一个干扰，摇晃会使它冻结。这源于结晶核依靠波动，所以这是从冰箱中取出水瓶时要非常小心的原因。此外，也可以非常小心地将过冷水装满一个干净的杯子里，接下来放入一小块冰，看着水以冰为中心迅速凝固。

如果你想在家里做这个实验，你必须清楚知道冰箱的温度和冻结时间。将沸水倒入瓶中，放入冰箱冷冻两到三个小时。记住，一定要注意控制温度和时间。如果不容易控制温度，可以用毛巾或者保温盒子包起来，在瓶子中间插入一个温度计，当温度为0时取出，注意不要摇晃。当你倒出水时，你会看到它瞬间结冰哦，快去试试吧！