百年理论预言被证明我国科学家捕捉到水结冰的要害一瞬

科技日报记者 陆成宽

冰晶在咱们的日常日子中随处可见，晶莹剔透的雪花、突如其来的冰雹、抑或是冰镇爽口的饮料，都离不开冰晶的构成。

图片来自：视觉我国

虽然冰晶如此遍及的存在，可是，在分子层面，人类仍旧无法实在了解水分子以何种形状彼此结合构成“冰核”从而生长成微观大冰晶的进程。

12月19日，《天然》宣布了一项关于天然界中相变成核现象的研讨成果。来自中科院化学所和国科大等单位的研讨人员，初次在试验上证明了水结冰进程中临界冰核的存在，并给出了临界冰核的标准和过冷温度的联系，这一成果与经典成核理论预言高度符合。

依据热力学，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摆放。冰核的构成便是水分子的无序热运动和水分子有序摆放的竞赛成果。但是，现在而言，人类对“水”-“冰核”之间的改变知之甚少。

图片来自：视觉我国

一百多年前，美国物理化学家吉布斯等人根据微观热力学原理，提出的相变“经典成核理论”以为，水结冰这类相变需求经过一个成核进程。例如，水过冷构成小冰核，只有当构成的冰核偶尔超越临界标准，构成临界核时，相变才干自发发作。

但是，不幸地是百年来科学家一直无法经过试验验证临界核的存在。这不只阻止了对天然界中相变成核这一重要物理现象的进一步了解，甚至还引发了人们对微观理论推出微观层面临界核概念实用性的疑问。

临界冰核具有需求等候很长时刻才可能发作的偶尔性、存在寿数纳秒等级的瞬时性以及纳米级标准的微观性，使得当时已有的微观勘探技能都很难捕捉到它。这也成为数十年来的研讨难点。

不同标准纳米颗粒的冰成核温度（TIN）

研讨人员创造性地运用氧化石墨烯纳米片等系列固定标准的纳米颗粒去勘探临界冰核，试验结合理论核算，简练明晰地得到了临界冰核的标准。

“这项试验研讨所得成果与理论核算高度相符，和运用纳米颗粒品种、原料等要素无关，定论具有普适性，不只确认无疑地证明了冰临界核的存在，并且可能是研讨其它相变成核问题的普适办法。”论文通讯作者、中科院化学所研讨员王健君说。

经过研讨纳米颗粒标准与其促进冰晶成核才干的联系，研讨人员发现，仅当纳米颗粒的标准大于某个特别值时才干有效地促进临界冰核构成，而较小标准的纳米颗粒则简直不能促进冰核的构成。

论文另一位通讯作者、我国科学院大学周昕教授表明，这项研讨效澄清了近几十年来关于微观的“经典成核理论”在描绘原子标准临界冰核特征的有效性方面的遍及疑虑，在理论上加深了对水结冰机理、相变现象甚至计算物理中微观和微观联系等方面的了解；一起，在细胞和安排的低温冻存、保持疫苗在出产和输运进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使用价值。

对此，德国马克斯-普朗克高分子研讨所所长Mischa Bonn表明，这是一个很有含义的作业，经过试验成果直接证明了临界冰核的存在，也提醒了构成临界冰核所必需的水分子数量。这是一个令人振奋的严重发现。

“这项研讨提醒了纳米颗粒标准与成核温度的彼此联系，并发现了一个普适的勘探临界冰核的办法，我以为这个研讨作业在冰成核范畴是一个具有里程碑含义的作业之一。”韩国工程院院士Dong June AHN点评道。

来历：科技日报 文中图片和视频除注明外均由本文作者供给

修改：陈小柒

审阅：王小龙