科技日报记者 陆成宽
冰晶在我们的平常糊口中到处可见，晶莹剔透的雪花、从天而降的冰雹、抑或是冰镇爽口的饮料，都离不开冰晶的构成。
虽然冰晶如斯遍及的存在，可是，在份子层面，人类照旧没法真实领会水份子以何种形态彼此连系构成“冰核”进而发展成宏不雅年夜冰晶的进程。。
12月19日，《天然》颁发了一项关于天然界中相酿成核现象的研究功效。来自中科院化学所和国科年夜等单元的研究职员，初次在尝试上证实了水结冰进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，这一功效与经典成核理论预言高度契合。
按照热力学，水份子在溶液中会不断地进行热活动；当温度低于冰点，水份子会趋势进行有序的摆列。冰核的构成就是水份子的无序热活动和水份子有序摆列的竞争成果。但是，今朝而言，人类对“水”-“冰核”之间的改变知之甚少。
一百多年前，美国物理化学家吉布斯等人基于宏不雅热力学道理，提出的相变“经典成核理论”以为，水结冰这类相变需要颠末一个成核进程。例如，水过冷构成小冰核，只有当构成的冰核偶尔跨越临界尺寸，构成临界核时，相变才能自觉产生。
但是，不幸地是百年来科学家始终没法经由过程尝试验证临界核的存在。这不但阻碍了对天然界中相酿成核这一主要物理现象的进一步理解，乃至还激发了人们对宏不雅理论推出微不雅层面对界核概念适用性的疑问。
临界冰核具有需要期待很长时候才可能产生的偶尔性、存在寿命纳秒级此外瞬时性和纳米级尺寸的微不雅性，使适当前已有的微不雅探测手艺都很难捕获到它。这同样成为数十年来的研究难点。
分歧尺寸纳米颗粒的冰成核温度（TIN）
研究职员缔造性地利用氧化石墨烯纳米片等系列固定尺寸的纳米颗粒往探测临界冰核，尝试连系理论计较，简练清楚地获得了临界冰核的尺寸。
“这项尝试研究所得成果与理论计较高度符合，和利用纳米颗粒种类、材质等身分无关，结论具有普适性，不但肯定无疑地证实了冰临界核的存在，并且多是研究其它相酿成核题目的普适方式。”论文通信作者、中科院化学所研究员王健君说。
经由过程研究纳米颗粒尺寸与其增进冰晶成核能力的关系，研究职员发现，仅当纳米颗粒的尺寸年夜于某个特别值时才能有用地增进临界冰核构成，而较小尺寸的纳米颗粒则几近不克不及增进冰核的构成。
论文另外一位通信作者、中国科学院年夜学周昕传授暗示，这项研究效澄清了近几十年来关于宏不雅的“经典成核理论”在描写原子标准临界冰核特点的有用性方面的遍及疑虑，在理论上加深了对水结冰机理、相变现象甚至统计物理中宏不雅和微不雅关系等方面的理解；同时，在细胞和组织的低温冻存、保持疫苗在出产和输运进程中的高活性和飞机等交通东西的防冰涂层上有主要的利用价值。
对此，德国马克斯-普朗克高份子研究所所长Mischa Bonn暗示，这是一个很成心义的工作，经由过程尝试成果直接证实了临界冰核的存在，也揭露了构成临界冰核所必须的水份子数目。这是一个使人振奋的重年夜发现。
“这项研究揭露了纳米颗粒尺寸与成核温度的彼此关系，并发现了一个普适的探测临界冰核的方式，我以为这个研究工作在冰成核范畴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。
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