水は通常、0℃(凝固点)に達すると氷へと相転移を始めます。しかし、非常に静かな環境でゆっくりと冷やしていくと、水分子は0℃を下回っても結晶格子を組むことができず、マイナス数度からマイナス十数度の液体のままでとどまります。この熱力学的な準安定状態を科学用語で「過冷却」と呼びます。 なぜ0℃以下になっても水は液体のままでいられるのでしょうか。その鍵を握るのが氷の核形成です。 水が氷へと変化するには、水分子が集まって結晶の足がかりとなる「核」を作らなければなりません。しかし、純度の高い水の中では、自発的に結晶核が生まれるためのエネルギー障壁(自由エネルギー)が高く、外的な刺激がない限り核形成が起きにくい性質があります。 ところが、この過冷却状態にある水に物理的なショック(机に軽く打ちつけるなど)を与えたり、小さな氷の粒を触れさせたりすると、その衝撃をトリガーとして一瞬で結晶核が形成されます。一度核が誕生すると、蓄えられていた余剰エネルギーが解放され、わずか1〜2秒の間に樹枝状の結晶(デンドライト)が容器全体へと連鎖的に成長します。これこそが、目の前で水が一瞬にしてシャーベット状の氷へと変わる過冷却現象の真実です。
一瞬で凍る過冷却水の作り方!ペットボトルと冷凍庫で成功させるコツ
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