关于水如何结冰的持久之谜｜结冰与细菌有关

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关于水如何结冰的持久之谜 | Quanta Magazine

这篇文章深入探讨了水结冰的复杂机制，探究了不仅仅是降温至零摄氏度以下就能使水结冰，而是涉及到微观结构、随机震动以及微生物的作用。

零度结冰的特殊性与冰核形成

尽管我们在小学学到水在零摄氏度结冰，但实际上水在自然界中的结冰往往需要杂质作为冰核。例如，实验和自然现象表明，即使在零度甚至更低温度，纯水也不容易形成冰核。

冰核形成的能源壁垒

冰核形成需要能量克服其与液态水界面之间的不稳定性。越低温，这种能量壁垒越小，冰核形成越容易。通过形象的比喻解释了这一过程，将其比作热天站在海崖上的人，虽然想跳进水里，却被恐惧所阻。

杂质和表面结构对冰核的促进作用

表面杂质和结构对冰核形成有重大影响。不同表面特性如结晶性、化学结构模拟冰等，能够促进或抑制冰核形成。使用细菌和真菌的蛋白质作为例子，这些生物通过特定的表面结构来促进冰核形成。

自然界中冰核形成的启示

最著名的冰成核剂是一种名为丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）的细菌，它含有一种蛋白质，可以迫使水在 -2 摄氏度左右结冰。 “这太好了，所有的人工造雪，至少在犹他州和美国的一些地方，都使用这种细菌来造雪，”

预测冰核形成

Valeria Molinero的团队开发了理论和计算模型来捕捉冰核形成的过程，包括其与表面的相互作用。一个简化的水模型成功再现了水的许多宏观性质，进一步的模拟研究显示了在特定液相转变点，冰晶化速度最快的新观察。

模型的实际应用

通过引入特定缺陷，可设计更好的冰核材料，这些模型对云和降水的形成机制有重大帮助。重要的是现有的气象模型还未充分考虑冰核形成的细节，这为未来的研究提供了方向。

总结

通过实验实例和计算模型，深入探讨水结冰的复杂性及其重要影响，为科学家进一步研究和实际应用提供了新的视角。

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AI 垃圾越来越多了，这种文没什么意义。结冰与细菌无关。细菌不过是有影响而已。

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原文还是挺有意思的，但青蛙是转了个生成的摘要过来，看着就很不流畅了。不过有背景知识的大人看了能给孩子讲，从这个角度看这个摘要也不能说完全没用。

你看这就是没背景知识也没看摘要得到的结论。原文讨论如下：

Meister and Molinero have been working together to unravel the secrets of nature’s best snow makers — bacteria and fungi whose proteins interact with water in ways that promote ice nucleation. Many of these organisms are plant pathogens, and it’s possible that their ice-nucleating proteins evolved to cause frost damage.

The best known ice nucleator is a bacterium called Pseudomonas syringae, which has a protein that can force water to freeze at around minus 2 degrees Celsius. “It’s so good that all the artificial snowmaking, at least in Utah, and some [other] places in the U.S., uses this bacteria to make snow,” Meister said.

这个结论应该来自 Cochet, N., Widehem, P. Ice crystallization by Pseudomonas syringae . Appl Microbiol Biotechnol 54, 153–161 (2000). https://doi.org/10.1007/s002530000377

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我的确给娃讲了，但我没知识背景 :joy:

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所以关系是 细菌-凝结核-结冰

细菌跟结冰确实不是直接关系啊，没有这种蛋白也可以拿灰尘当凝结核

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结晶需要结晶核啊，之前盐那个实验里不是提到过吗 :joy:

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确实不是直接关系，一般来说提到水不是直接结冰就会想到灰尘之类的，不会往生物的影响这方向考虑，然后看了这个文章感觉豁然开朗。

没用知识+1 :joy:

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其实这个问题可能需要这样考虑：

  1. 凝结核是颗粒物
  2. 微生物也是颗粒物
  3. 微生物也可以是凝结核

继续推理：

  1. 凝结核影响结冰
  2. 微生物可以充当凝结核
  3. 微生物影响结冰
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就冰核一个概念而已。说吧，我需要什么背景知识才能得到有价值的结论。

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按引文来说，这篇东西看起来是这样的：
结冰的过程是长久研究的东西；我们现在有点从犄角旮旯的角度研究得出的结果：植物遭受霜冻伤害的其中一个原因是真菌或细菌感染，因为这些生物提供的凝结核会让组织内部结冰；另外有一种细菌的一种蛋白质很有趣，能够让水在负2度冻结，犹他州等地就有人用来造雪。
没看原文，难道这文章意思是，本来能御寒的植物有防止自身结冰或即使结冰也不破坏细胞结构的方法，但细菌产生的额外凝结核会使结冰过程分散且迅速导致这种自保方法失效？而这分散且迅速的凝结不会形成定型的冰而是产生微小冰晶于是适合造雪？或者说，其总体方向是研究生物质凝结核的现象和作用？

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我都看完了，但是还是不懂

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我个人总结的对结冰的认知：
结冰就是破坏液体的稳定状态（流体状态→固体状态）
根本原因是低温，但还需要一个打破临界状态的"破坏份子"（冰核）

根据这一认知对各种奇妙的结冰现象的解释：

  • 低温但不结冰的纯净水，而且把这瓶水往桌子上一磕就结冰了
    • 因为震动导致里面部分内部个别成员突然和整体脱节，导致整体秩序破坏
      （类比大量人群的拥挤场所里，个别人跌倒引发的大规模踩踏事件）
  • 同时放进冰箱的温水比冷水更快结冰
    • 温度越高分子运动越剧烈，"破坏份子"也更加活跃，影响范围扩大
  • 真菌/细菌促发的植物霜冻
    • 外界温度未超过植物的抵御极限，但细菌破坏了外层防御，且作为易结冰的个体与植物整体连结，降低了植物内部结冰的阈值

反方向还能想到盐水为什么更难结冰
因为盐加到水里，充当的是"稳定份子"而不是"破坏份子"

这篇文章揭示了微生物也可以充当冰核
问题在于AI的概括表述不当
如果换下两个词的位置，改成细菌与结冰有关就没那么多争议了
充分不必要条件，高中数学的回忆在攻击我 :joy:

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完全纯净的水结冰需要零下四十度左右，高空大气中的水汽凝结差不多就是这种。
有个热水比冷水结冰快的知名现象叫Mpemba Effect.

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:crazy_face:"热水比冷水结冰快"嘛…
典型的多因素只考察一个因素
万一我的"冷水"是由"热水"冷却而来呢, 还能比"热水"结冰快么?

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我感觉是还可以理解成分子运动越剧烈，水通过传导和对流往外散发热量就越快，毕竟水是不良导热物质，且实验条件是外部环境温度骤降。

没有外部环境温度骤降的条件下，热水会有足够的时间先散热冷却成冷水。

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为什么可以假设高空大气的水气纯洁？这个例子非常糟，因为这反而无法排除气压和运动的影响。

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:crazy_face:
感觉你没懂我的意思
你家冷却热水结冰是不经过“冷水”这一阶段， 直接80度然后瞬间零下？

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不是这个意思，但根据牛顿冷却定律，相同条件下，热水的降温速度确实要比冷水快。

另外，也有其他学者复现了 Mpemba 效应，不过根据实验结果和对前人工作的复盘，正确的表述应该是 “热水先开始结冰” 而非 “热水先完全结冰”。

从Mpemba和Osbirne的第一篇文章看，这个问题的提法需要用更严格的中文来表述。实际上他们发现的是高于摄氏25度的条件下较热的水可以先“开始”结冰（见附件Fig. 1）——而不是更早“全部”结冰！

https://blog.sciencenet.cn/blog-39346-588230.html

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楼上几楼看得人头疼。明显的是时间和温度两个参数。两个曾经2000度，现在20度的铁块为啥性能不同，一个是用了1小时冷却到20度，一个用了10秒淬火到20度。
一个水恒定20度，和现在20度，但3秒前90度的水，它的某些特性是非常不同的。

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什么小青蛙都有娃了