中國科學家首次在實驗上證實了水結(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系，從而證實了“經(jīng)典成核理論”的預言。研究成果19日在國際知名學術期刊《自然》在線發(fā)表。

低溫下水結(jié)冰的現(xiàn)象再常見不過，但微觀層面上“水變冰”的具體過程卻不為人所知。近百年前，科學家吉布斯等人基于熱力學原理，提出相變的“經(jīng)典成核理論”，認為如水結(jié)冰這類相變需經(jīng)過一個成核過程，水過冷形成小冰核，僅當形成的冰核偶然超過臨界尺寸（即“臨界冰核”）時，相變才能自發(fā)發(fā)生。

然而，由于“臨界冰核”的偶然性、瞬時性（納秒級別）和微觀性（納米級別），給微觀探測帶來極大難度。數(shù)十年來，微觀探測技術的發(fā)展使得“經(jīng)典成核理論”的許多推論得到證實，但對成核理論的核心概念“臨界核”的存在性，研究人員始終無法給出直接的實驗證據(jù)。

此次，中科院化學所王健君、中國科學院大學周昕團隊創(chuàng)造性地使用系列固定尺寸的納米顆粒去探測“臨界冰核”，實驗結(jié)合理論計算，簡潔清晰地得到了“臨界冰核”的尺寸。

“本實驗可以理解為用尺寸確定的納米顆粒作為尺子，去度量‘臨界冰核’：持續(xù)降低溫度以使冰核達到臨界所需尺寸，當這個尺寸恰好與納米顆粒尺寸相當時，‘臨界冰核’容易形成，并導致宏觀冰晶快速發(fā)生從而可被探測。”王健君說。

據(jù)介紹，該項課題研究加深了對水結(jié)冰這一重要相變現(xiàn)象的微觀機制的理解，也為實現(xiàn)人為控冰應用提供了重要理論指引，例如調(diào)控冰晶形成和生長、提高細胞組織等冷凍保存的復蘇效率、提高食品制作冷藏的保鮮度等，將在化學工業(yè)、低溫生物學、材料科學等領域發(fā)揮至關重要的作用。

進一步研究表明，該課題研究結(jié)論具有普適性，可成為研究其他相變成核問題的普適方法。