中國科研人員首次通過實驗證實水結冰過程中臨界冰核的存在

科技日報北京12月19日電 (記者陸成寬)“冰凍三尺，非一日之寒”，自然界中水結冰等相變現(xiàn)象非常普遍。19日，《自然》發(fā)表了一項關于自然界中相變成核現(xiàn)象的研究成果。來自中科院化學所和國科大等單位的研究人員，首次通過實驗證實了水結冰過程中臨界冰核的存在，并給出了臨界冰核的尺寸和過冷溫度的關系，這一成果與經(jīng)典成核理論預言高度契合。

美國物理化學家吉布斯等人100多年前基于熱力學原理，提出的相變“經(jīng)典成核理論”認為，水結冰這類相變需要經(jīng)過一個成核過程。例如，水過冷形成小冰核，只有當形成的冰核偶然超過臨界尺寸，形成臨界核時，相變才能自發(fā)發(fā)生。但是，百年來科學家始終無法驗證臨界核的存在。

臨界冰核具有需要等待很長時間才可能出現(xiàn)的偶然性、存在壽命小于納秒的瞬時性以及納米級尺寸的微觀性，使得現(xiàn)有的微觀探測技術很難捕捉到它。這也成為數(shù)十年來的研究難點。此次研究團隊創(chuàng)造性地使用氧化石墨烯納米片等固定尺寸的納米顆粒去探測臨界冰核，實驗結合理論計算，簡潔清晰地得到了臨界冰核的尺寸。

“這項實驗研究所得結果與理論計算高度相符，和使用納米顆粒種類、材質(zhì)等因素無關，結論具有普適性，不僅確定無疑地證實了臨界冰核的存在，而且可以成為研究其他相變成核問題的普遍方法。”中科院化學所研究員王健君說。

王健君表示，這項研究在理論上加深了對水結冰機理、相變現(xiàn)象乃至統(tǒng)計物理中宏觀和微觀關系等方面的理解;同時，在細胞和組織的低溫凍存、維持疫苗在生產(chǎn)和輸運過程中的高活性以及飛機等交通工具的防冰涂層上有重要應用價值。