凍結(jié)速率與冰晶大小和形狀的關(guān)系溶液結(jié)晶的晶粒數(shù)量和大小除與溶液本身性質(zhì)有關(guān)外,還與晶核生成速率和晶體生長速率有關(guān),而這二者又都隨冷卻速率和溫度的不同而變化。一般來說,冷卻速率越快、過冷溫度越低,所形成的晶核數(shù)量越多,晶體來不及生長就被凍結(jié),此時(shí)所形成的晶粒數(shù)量越多,晶粒就越細(xì):反之,晶粒數(shù)量越少,晶粒就越大。圖1-4示出了水的結(jié)晶速率與溫度的關(guān)系。由圖可知,在接近0℃時(shí),晶核生成速率很小,但生長速率卻迅速增加。因此如果讓溶液在接近于0℃凍結(jié),則會(huì)得到粗而大的結(jié)晶。若使之在較低溫度下結(jié)晶,則將得到量多粒小的晶體。
晶體的形狀也與凍結(jié)溫度有關(guān)。在0℃附近開始凍結(jié)時(shí),冰晶呈六角對(duì)稱形,在六個(gè)主軸方向生長,同時(shí)還會(huì)延伸出若干副軸,所有冰晶連接起來,在溶液中形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著過冷度的增加,冰晶將逐漸喪失容易辨認(rèn)的六角對(duì)稱形,加之成核數(shù)多,可能形成一種不規(guī)則的樹枝狀,它們是有任意數(shù)目軸的柱狀體(軸柱),而不像六方晶型那樣只有六條。最高冷卻速率時(shí)獲得漸消球晶,它是一種初始的或不完全的球狀結(jié)晶,通過重結(jié)晶可以完成其再結(jié)晶過程。
生物體液(如血液血漿、肌肉漿液、玻璃體液等)結(jié)冰形成的結(jié)晶單元,往往與單一成分的水溶液形成冰晶類型相似。結(jié)晶類型主要取決于冷卻速率和液體濃度,例如,血漿、肌肉漿液等在正常濃度下結(jié)冰時(shí),在0℃以下較高溫度和慢冷卻速率下形成六方結(jié)晶單元,快速冷卻至低溫時(shí)形成不規(guī)則樹枝狀晶體。
從冰晶的大小來看,慢速凍結(jié)會(huì)形成量少而粗大的冰晶,快速凍結(jié)會(huì)形成量多而細(xì)小的冰晶。粗大而連續(xù)的冰晶在升華時(shí)可形成暢通的水蒸氣逸出通道,利于提高干燥速率。而細(xì)小或不連續(xù)的冰晶則反之,其干燥速率小。