我国科学家证实百年理论预言！捕捉到水结冰的关键瞬间

冰晶在我们的日常生活中随处可见，晶莹剔透的雪花、从天而降的冰雹、抑或是冰镇爽口的饮料，都离不开冰晶的形成。

尽管冰晶如此普遍的存在，但是，在分子层面，人类依旧无法真实了解水分子以何种形态相互结合形成“冰核”进而生长成宏观大冰晶的过程。

2019年12月19日，国际顶尖学术期刊 Nature 杂志发表了一项关于自然界中相变成核现象的研究成果。

来自中科院化学所和国科大等单位的研究人员，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，这一成果与经典成核理论预言高度契合。

根据热力学，水分子在溶液中会不停地进行热运动；当温度低于冰点，水分子会趋向进行有序的排列。冰核的形成就是水分子的无序热运动和水分子有序排列的竞争结果。然而，目前而言，人类对“水”-“冰核”之间的转变知之甚少。

一百多年前，美国物理化学家吉布斯等人基于宏观热力学原理，提出的相变“经典成核理论”认为，水结冰这类相变需要经过一个成核过程。例如，水过冷形成小冰核，只有当形成的冰核偶然超过临界尺寸，形成临界核时，相变才能自发发生。

然而，不幸地是百年来科学家始终无法通过实验验证临界核的存在。这不仅阻碍了对自然界中相变成核这一重要物理现象的进一步理解，甚至还引发了人们对宏观理论推出微观层面临界核概念实用性的疑问。

临界冰核具有需要等待很长时间才可能发生的偶然性、存在寿命纳秒级别的瞬时性以及纳米级尺寸的微观性，使得当前已有的微观探测技术都很难捕捉到它。这也成为数十年来的研究难点。

▲ 不同尺寸纳米颗粒的冰成核温度（TIN）

研究人员创造性地使用氧化石墨烯纳米片等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。

“这项实验研究所得结果与理论计算高度相符，和使用纳米颗粒种类、材质等因素无关，结论具有普适性，不仅确定无疑地证实了冰临界核的存在，而且可能是研究其它相变成核问题的普适方法。”论文通讯作者、中科院化学所研究员王健君说。

通过研究纳米颗粒尺寸与其促进冰晶成核能力的关系，研究人员发现，仅当纳米颗粒的尺寸大于某个特殊值时才能有效地促进临界冰核形成，而较小尺寸的纳米颗粒则几乎不能促进冰核的形成。

论文另一位通讯作者、中国科学院大学周昕教授表示，这项研究澄清了近几十年来关于宏观的“经典成核理论”在描述原子尺度临界冰核特征的有效性方面的普遍疑虑，在理论上加深了对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等方面的理解；同时，在细胞和组织的低温冻存、维持疫苗在生产和输运过程中的高活性以及飞机等交通工具的防冰涂层上有重要的应用价值。

对此，德国马克斯-普朗克高分子研究所所长Mischa Bonn表示，这是一个很有意义的工作，通过实验结果直接证明了临界冰核的存在，也揭示了形成临界冰核所必需的水分子数量。这是一个令人振奋的重大发现。

“这项研究揭示了纳米颗粒尺寸与成核温度的相互关系，并发现了一个普适的探测临界冰核的方法，我认为这个研究工作在冰成核领域是一个具有里程碑意义的工作之一。”韩国工程院院士Dong June AHN评价道。

论文链接：

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