中国科学家首次证实“临界冰核”存在

中国科学家首次在实验上证实了水结冰过程中“临界冰核”的存在，并给出了“临界冰核”的尺寸和过冷温度的关系，从而证实了“经典成核理论”的预言。研究成果19日在国际知名学术期刊《自然》在线发表。

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低温下水结冰的现象再常见不过，但微观层面上“水变冰”的具体过程却不为人所知。近百年前，科学家吉布斯等人基于热力学原理，提出相变的“经典成核理论”，认为如水结冰这类相变需经过一个成核过程，水过冷形成小冰核，仅当形成的冰核偶然超过临界尺寸（即“临界冰核”）时，相变才能自发发生。

然而，由于“临界冰核”的偶然性、瞬时性（纳秒级别）和微观性（纳米级别），给微观探测带来极大难度。数十年来，微观探测技术的发展使得“经典成核理论”的许多推论得到证实，但对成核理论的核心概念“临界核”的存在性，研究人员始终无法给出直接的实验证据。

此次，中科院化学所王健君、中国科学院大学周昕团队创造性地使用系列固定尺寸的纳米颗粒去探测“临界冰核”，实验结合理论计算，简洁清晰地得到了“临界冰核”的尺寸。

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“本实验可以理解为用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子，去度量‘临界冰核’：持续降低温度以使冰核达到临界所需尺寸，当这个尺寸恰好与纳米颗粒尺寸相当时，‘临界冰核’容易形成，并导致宏观冰晶快速发生从而可被探测。”王健君说。

据介绍，该项课题研究加深了对水结冰这一重要相变现象的微观机制的理解，也为实现人为控冰应用提供了重要理论指引，例如调控冰晶形成和生长、提高细胞组织等冷冻保存的复苏效率、提高食品制作冷藏的保鲜度等，将在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥至关重要的作用。

进一步研究表明，该课题研究结论具有普适性，可成为研究其他相变成核问题的普适方法。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1827-6

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