冰晶在我們的日常生活中隨處可見，晶瑩剔透的雪花、從天而降的冰雹、抑或是冰鎮(zhèn)爽口的飲料，都離不開冰晶的形成。

盡管冰晶如此普遍的存在，但是，在分子層面，人類依舊無法真實(shí)了解水分子以何種形態(tài)相互結(jié)合形成“冰核”進(jìn)而生長成宏觀大冰晶的過程。。

12月19日，《自然》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于自然界中相變成核現(xiàn)象的研究成果。來自中科院化學(xué)所和國科大等單位的研究人員，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了水結(jié)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(guān)系，這一成果與經(jīng)典成核理論預(yù)言高度契合。

根據(jù)熱力學(xué)，水分子在溶液中會不停地進(jìn)行熱運(yùn)動;當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)，水分子會趨向進(jìn)行有序的排列。冰核的形成就是水分子的無序熱運(yùn)動和水分子有序排列的競爭結(jié)果。然而，目前而言，人類對“水”-“冰核”之間的轉(zhuǎn)變知之甚少。

一百多年前，美國物理化學(xué)家吉布斯等人基于宏觀熱力學(xué)原理，提出的相變“經(jīng)典成核理論”認(rèn)為，水結(jié)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(dāng)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。

然而，不幸地是百年來科學(xué)家始終無法通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證臨界核的存在。這不僅阻礙了對自然界中相變成核這一重要物理現(xiàn)象的進(jìn)一步理解，甚至還引發(fā)了人們對宏觀理論推出微觀層面臨界核概念實(shí)用性的疑問。

臨界冰核具有需要等待很長時間才可能發(fā)生的偶然性、存在壽命納秒級別的瞬時性以及納米級尺寸的微觀性，使得當(dāng)前已有的微觀探測技術(shù)都很難捕捉到它。這也成為數(shù)十年來的研究難點(diǎn)。

研究人員創(chuàng)造性地使用氧化石墨烯納米片等系列固定尺寸的納米顆粒去探測臨界冰核，實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算，簡潔清晰地得到了臨界冰核的尺寸。

“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究所得結(jié)果與理論計(jì)算高度相符，和使用納米顆粒種類、材質(zhì)等因素?zé)o關(guān)，結(jié)論具有普適性，不僅確定無疑地證實(shí)了冰臨界核的存在，而且可能是研究其它相變成核問題的普適方法。”論文通訊作者、中科院化學(xué)所研究員王健君說。

通過研究納米顆粒尺寸與其促進(jìn)冰晶成核能力的關(guān)系，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅當(dāng)納米顆粒的尺寸大于某個特殊值時才能有效地促進(jìn)臨界冰核形成，而較小尺寸的納米顆粒則幾乎不能促進(jìn)冰核的形成。

論文另一位通訊作者、中國科學(xué)院大學(xué)周昕教授表示，這項(xiàng)研究效澄清了近幾十年來關(guān)于宏觀的“經(jīng)典成核理論”在描述原子尺度臨界冰核特征的有效性方面的普遍疑慮，在理論上加深了對水結(jié)冰機(jī)理、相變現(xiàn)象乃至統(tǒng)計(jì)物理中宏觀和微觀關(guān)系等方面的理解;同時，在細(xì)胞和組織的低溫凍存、維持疫苗在生產(chǎn)和輸運(yùn)過程中的高活性以及飛機(jī)等交通工具的防冰涂層上有重要的應(yīng)用價(jià)值。

對此，德國馬克斯-普朗克高分子研究所所長Mischa Bonn表示，這是一個很有意義的工作，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了臨界冰核的存在，也揭示了形成臨界冰核所必需的水分子數(shù)量。這是一個令人振奮的重大發(fā)現(xiàn)。

“這項(xiàng)研究揭示了納米顆粒尺寸與成核溫度的相互關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了一個普適的探測臨界冰核的方法，我認(rèn)為這個研究工作在冰成核領(lǐng)域是一個具有里程碑意義的工作之一。”韓國工程院院士Dong June AHN評價(jià)道。

關(guān)鍵詞： 臨界冰核證實(shí)