水（H₂O），是我们所有人都熟悉的物质，也是一种令众多科学家都为之着迷的物质。水有着太多在本质上不同于其他物质的特性，也隐藏着许多意想不到的古老谜团，其中一些至今仍困扰着科学家。一直以来，有关水在原子和分子层面的运动信息大多来自于计算，并没有通过实验探索。在一项新研究中，一个国际物理学家团队完成了一项高难度的观测，他们在原子尺度上捕捉了水分子的微观运动，探讨了有关水的研究领域的一个中心问题。
研究结果刊登在了近期的《自然通讯》杂志上。冰通常很容易在固体表面形成，然而科学家并不能完全解释为何会这样。若要更好地理解水在固体界面上的行为，则需要研究水和表面之间的相互作用的分子基础。当水冻结成冰时，自由转动的水分子会突然停止运动，并开始与相邻的分子形成冰晶。水冻结成冰通常始于一个被称为冰核的微小颗粒，在冰核上会形成第一个冰晶，然后冰晶再向水的其他部分扩散，蔓延到更大的水体。
因此，冰形成的最初阶段也被称为成核阶段，这是水分子最初聚并成冰的时候。然而，成核阶段的发生速度快到令人难以置信，整个过程用时不到1/1,000,000,000秒。依靠显微镜是难以在如此段的时间尺度内捕捉到成核开始时所发生的情况的，因为这些仪器拍摄快照的频率无法赶上快速移动的水分子的速度。
有时，一些研究人员会通过在实验中使用液氮将温度降低到-250℃左右来减缓水分子运动，但无法在更高的温度下观察冰的形成。因此一直以来，许多关于冰形成的研究都只能聚焦在成核发生之后的时间段里。那时，成块的冰已经形成，并开始聚并成厚厚的膜。在新研究中，物理学家用到了一种被称为氦自旋回波的技术，这种技术最先是由剑桥大学的物理学家所提出。
简单来说，它的分析过程需要向样本——比如水——发射一束氦原子，然后追踪这些氦原子在撞击到成为了冰的水分子后会如何散开。它的工作原理与利用无线电波来确定汽车在高速公路上的行驶速度的雷达探测器类似，我们可以将它理解为是原子尺度上的分子雷达陷阱，能以皮秒（1皮秒=1×10⁻¹²秒）级的时间灵敏度来观察水分子的运动。
利用这种方法，研究人员分析了在寒冷石墨烯表面的单个水分子的运动，他们收集到了每个微小原子的数据，并且成功地记录了冰在成核阶段的情况。在研究中，石墨烯表面被冷却到了不同的温度以进行实验，温度范围在-173℃到-143℃之间。当他们利用氦自旋回波来分析石墨烯上的水分子时，发现了一个不可思议的现象：他们发现有少量的额外热量参与到了冰的形成过程中。
这种反直觉的发现令研究小组感到不解，为什么会出现这样的情况？他们观察到，当将水置于寒冷的石墨烯表面时，这些水分子之间最初会保持一定距离，它们似乎在相互排斥。因此，这些分子若想要聚并在一起形成冰，则必须先克服它们之间的距离。为了理解这种排斥力的本质，以及水分子最后是如何克服这种排斥力的，研究人员创建了一些计算机模拟，绘制出了不同构型的水分子之间的相互作用。
模拟结果显示，当水分子被置于寒冷的石墨烯表面之后，它们会都朝向同一个方向——将氧原子夹在中间的两个氢原子会朝下，两个氢原子就像是米老鼠的两只耳朵。这些水分子在石墨烯表面聚集在一起，但它们统一的朝向会导致它们彼此之间仍会保持一定距离。可是，若要结成冰晶，这些水分子必须再靠近一点才行，并且要打破它们的这种在朝向上的统一性。这正是成核过程中需要消耗能量才能打破的能障。
研究小组发现，通过以热能形式向系统中增添更多的能量，就可以推动水分子彼此靠近，使它们重新定位朝向并成核，最终形成冰；另外，向系统中加入更多的水分子也有助于克服能障，因为当系统变得越来越拥挤，分子之间就会相互靠拢。所有这些相互作用都发生在短到令人难以置信的时间内，所以为克服能障所做出的“努力”一瞬间就就过去了。
接下来，研究人员计划继续研究冰在不同表面上的成核是否会以相似的方式进行，例如在与普通石墨烯具有相同的结构“白色石墨烯”（六方氮化硼）上，这种物质与水分子之间的键合更强，因此研究人员推测在这种表面上的成核会更缓慢。更广泛地说，了解冰是如何形成的将在许多科学领域中有其意义。
例如在论文中，研究人员就提到当对冰的形成有了更精细的了解后，科学家就有可能在此基础上改进旨在防止航空设备、风力涡轮机和通信塔结冰的技术。冰出现在宇宙尘埃和地球大气中，解开藏在冰里的谜题或将对许多研究都产生深远的影响。水是一种无处不在的分子，但似乎仍然有很多我们不了解的细节，即使它是一个简单的分子。要学习的东西还有很多。