髮絲冰

生活科學趣談

這是在潮濕的冬季,當氣溫略微低於 0℃時,從濕枯木上長出的一種不尋常之冰類型。其只出現在無樹皮的位置或是樹皮開裂處而不會發生在樹皮上,這種現象主要發生在北緯45至55度之間的闊葉林中

氣象學家 Alfred Wegener 於 1918 年描述了這種髮絲冰,並假設某些特定的真菌是髮絲冰形成的關鍵。此假說在 2005 年被 Gerhart Wagner 教授證實,他使用殺真菌劑處理木材或將其浸泡在熱水後,藉此停止真菌活動即可抑制髮絲冰的生長,不過真菌種類和驅動髮絲冰形成的機制仍未確定。

德國於利希生物與地球科學研究所的 Diana Hofmann 團隊,在 2012 年至 2014 年冬季收集了德國布拉赫巴赫附近森林中的含髮絲冰木材樣本,從外層的聚合木質線之細胞中觀察到菌絲體,確定此真菌種類為 擬黑耳Exidiopsis effusa)。

進一步分析熔化後的髮絲冰成分,顯示混合物中含有許多類似於富里酸(Fulvic acid)與腐植酸Humic acid)結構的化合物,這些是木質素在氧氣充足的情況下透過微生物降解所產生。研究團隊認為其中含有重結晶抑制劑,藉由小冰晶黏在這種物質上來防止長成大冰晶與分支。(註:重結晶是經由降低 表面能 而試圖長成大顆晶體的過程)

 

研究團隊發現在木材表面產生冰絲的驅動機制是冰分離(Ice segregation)的一個關鍵現象:surface melting。這是木材表面的 自由水游離水)與冷空氣接觸時會凍結形成冰鋒(ice front),並在冰和木材孔隙之間夾入一層薄薄的水膜,藉由這種現象可以降低界面的表面能。然後藉著冰-水-木夾層的分子間作用力,使木孔內的水持續被吸出而向冰鋒移動,並在外部凍結增長而添加到既有的冰中,亦即新長出來的冰推動著舊冰向外伸展。在預熔化條件下,冰和水可以在低於 -10 °C 的溫度下於多孔介質中共存,藉由吉布斯-湯姆森效應導致水從較高溫度往較低溫度遷移,並以這種方式保持液態水膜,造成木孔內的水持續被吸出並在表面凍結而使變長。細粒土壤中的凍脹過程也是屬於這種物理機制。

枯木中真菌的作用則是提供重結晶抑制劑,防止細毛因重結晶而彼此聚集在一起,如此持續伸展的冰就被塑造成絲狀。下列照片是將含髮絲冰的樹枝切成5段,以不同時間來浸泡殺菌劑,隨後放置在-10℃環境下一小時後的對照。由於部分的真菌被殺滅,因而顯著減少冰絲的產生。隔天早上,讓所有的冰絲在室溫下熔化,然後用蒸餾水潤濕樹枝後再次暴露在寒冷中。在接下來的幾週,反覆這些步驟,發現不同處理時間的枯木之間變得越來越像,這是因為真菌從木材內又逐漸開始朝外生長,從而能形成原先的冰絲。至於真菌滲出液中的什麼物質阻止了冰的重結晶,至今仍是一個懸而未決的問題。

參考資料:Evidence for biological shaping of hair ice

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