水分子的结构，具有明显的偶极矩，致使液相在较高温度下才能产生，并确保获得环绕离子的一种分子包裹结构。然而，在水中也存在没有离子的群集，包括由大约10个水分子组，成一个被O-H-O基团包围的四面体。这种群集并非总是由相同分子构成的稳定单元体，而是不断地与周围分子进行交换。平均寿命为10¹⁰~10^-1S。群集的数目随温度降低而不断减少，直到发生冷冻。

在很好地去除了所有外来粒子的水中，当水过冷到-39℃，分子群集开始结晶，即均相成核。不溶于水的异物在冰的结晶过程中充当晶核的作用，即异相成核。通常每立方厘米水中大约有10⁶个粒子 ，这些粒子都可作为结晶的晶核。如果它们的结构与水类似，则成核效率会更高。晶核一旦形成，其外部增长将比内部快，形成（取决于过冷和冷却速率）冰星结构。在进一步冷冻过程中，将生成60°的分支，即常见的霜花。对于一个1*10^-9mm³的晶体。需要汇集2.7*10¹⁰个分子。很难直观展现这样一个晶体是如何在远不到1S的时间内形成的，但很明显，这种晶体生长受很多因素影响。

在压力下，水可以进一步过冷，推迟晶核的形成。晶体的生长取决于分子向晶核表面的扩散，（冷却速率V_f小于10²℃/S，过冷T_se小于10℃）可使用下面的式子：

成核速率V_K=常数XTⁿ_se

式中，如果能量传递起决定性作用，则n=1；如果表面反应起决定性作用，则n=1.7。如果T_se＞10℃，则必须考虑扩散过程。因为V_K还取决于浓度，所以V_K得计算并不稳定。

总之，如果想生成大晶体：

成核速率应当小，因此过冷速率也应小；

冷冻应发生在溶液和晶体之间的准平衡状态；

温度应尽可能高，因为晶体生长是e^-1/T的函数；

结晶时间应增加，因为V_K晶体的尺寸成反比。

如果想生成很少量晶体或不生成晶体：

应在高压力下冷冻；

冷冻速率应尽可能高，以产生较大的过冷度。