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在凍干實驗中水的成核速率及晶體大小控制
更新時間：2021-12-13 點擊次數：2643
水分子的結構，具有明顯的偶極矩，致使液相在較高溫度下才能產生，并確保獲得環繞離子的一種分子包裹結構。然而，在水中也存在沒有離子的群集，包括由大約10個水分子組，成一個被O-H-O基團包圍的四面體。這種群集并非總是由相同分子構成的穩定單元體，而是不斷地與周圍分子進行交換。平均壽命為1010~10-1S。群集的數目隨溫度降低而不斷減少，直到發生冷凍。
在很好地去除了所有外來粒子的水中，當水過冷到-39℃，分子群集開始結晶，即均相成核。不溶于水的異物在冰的結晶過程中充當晶核的作用，即異相成核。通常每立方厘米水中大約有106個粒子 ，這些粒子都可作為結晶的晶核。如果它們的結構與水類似，則成核效率會更高。晶核一旦形成，其外部增長將比內部快，形成（取決于過冷和冷卻速率）冰星結構。在進一步冷凍過程中，將生成60°的分支，即常見的霜花。對于一個1*10-9mm3的晶體。需要匯集2.7*1010個分子。很難直觀展現這樣一個晶體是如何在遠不到1S的時間內形成的，但很明顯，這種晶體生長受很多因素影響。
在壓力下，水可以進一步過冷，推遲晶核的形成。晶體的生長取決于分子向晶核表面的擴散，（冷卻速率Vf小于102℃/S，過冷Tse小于10℃）可使用下面的式子：
成核速率VK=常數XTnse
式中，如果能量傳遞起決定性作用，則n=1；如果表面反應起決定性作用，則n=1.7。如果Tse＞10℃，則必須考慮擴散過程。因為VK還取決于濃度，所以VK得計算并不穩定。
總之，如果想生成大晶體：
成核速率應當小，因此過冷速率也應小；
冷凍應發生在溶液和晶體之間的準平衡狀態；
溫度應盡可能高，因為晶體生長是e-1/T的函數；
結晶時間應增加，因為VK晶體的尺寸成反比。
如果想生成很少量晶體或不生成晶體：
應在高壓力下冷凍；
冷凍速率應盡可能高，以產生較大的過冷度。
