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来源：高分子科学前沿
水结冰，这似乎是一个非常普遍的现象。许多人认为只要温度低于0℃水就可以结冰，但实际情况并非这样简单。水存在于0℃以下而不结冰的例子比比皆是，那么，到底是什么原因使得水结冰呢？
最新一期的《Nature》杂志刊登了中科院化学所王健君研究员和中国科学院大学周昕教授的前沿成果。该成果证明了由纳米级氧化石墨烯构成的“临界核”所引起的结冰过程。这一过程高度符合由吉布斯所提出的经典成核理论。
在低温下，水分子的自由能会减小，并且趋于有序排列。但是，结冰会使得本是液态的水中出现固体，进而产生界面能。所以，如果没有一种方式克服界面能，液态水就不能自发的结冰。在经典成核理论中，成核结冰过程可以被简单地解释为在0℃及以下的液态水中，通过某些微小的颗粒引发，克服形成新相所需的界面能，使得本属于液态的水分子相变形成固态的冰。
绿色曲线表示总体自由能随半径的变化关系。自由能的最大势垒被标记为ΔG*。总自由能是体自由能（红色曲线）和界面自由能（黑色曲线）之和。图片来源：维基百科
如上图所示，当核的半径增加时，所需要克服的势垒会先增大（绿色曲线），在核的半径达到r*时势垒最大。之后势垒便会随着半径增大而逐渐减小，水分子便如同跨越顶点的过山车一样迅速结冰。
但就是这样简单的理论，近百年来却无法根据实验直接证明“临界核”的存在。因为临界核体积微小，触发相变迅速，因而很难直接观察到。在这篇文章中，实验人员创造性地使用一系列尺寸不同的氧化石墨烯纳米片对临界冰核进行度量。
氧化石墨烯纳米片，灰色为碳原子，红色为氧原子，白色为氢原子。
实验人员在水中加入氧化石墨烯纳米片并降低温度，当纳米颗粒的尺度与临界冰核尺度相当时，纳米颗粒存在于水中所产生的表面能就与结冰所需要克服的势垒一致。这样，就可以获得临界冰核对应的尺寸大小。研究人员发现，当纳米颗粒尺寸小于8nm时，溶液的冰成核温度与纯水一致，表明小尺寸的纳米颗粒不能促进临界冰核的形成。但当纳米颗粒的尺寸增加到11nm时，溶液的冰成核温度突然增加了10℃。这表明在该尺寸的纳米颗粒存在下，水更容易形成临界冰核，从而导致固相的生成。
在光学显微镜下观察到的冰成核温度的提高。
为了确定纳米颗粒尺寸与临界冰核形成的准确关系，实验人员通过一系列实验得到关系式：LΔT≈200 nm K。在这里，L为纳米颗粒的尺寸，ΔT为冰的平衡融化温度与冰成核温度的差值。在LΔT<200 nm K时，加入纳米颗粒不能有效促进临界冰核的形成。只有当LΔT>200 nm K时，较大尺寸的纳米颗粒才会对临界冰核的形成具有显著的促进作用。
这次的文章解决了长久以来有关结冰机理的争论，从实验方面证明了结冰过程由经典成核机理调控。从此，人们可以据此来调控冰晶的形成，或是可以诱导生成具有特定形貌的冰晶。对于细胞和组织的低温冻存，疫苗的低温运输也具有重要的指导意义。
来源：Polymer-science 高分子科学前沿
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjM5NzA5OA==&mid=2651725141&idx=3&sn=29e714efabdb6f6f804c0d7b5f5c2e03&chksm=8b4a0f10bc3d8606d5c50ca19d96f6d17564c3a3ab4b3b1a123b88220ff596742988f4aac8d7&scene=27#wechat_redirect
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