俗話說，“冰凍三尺，非一日之寒”，那么水究竟是怎么變成冰的？這個問題看似簡單，上百年來卻沒有人能夠說得清楚。如今，中國科學家在實驗上“再現”了水結冰的過程，揭示了這一過程中“臨界冰核”的存在，證實了經典臨界冰核理論的百年預言。

12月19日，國際知名學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了這一由中國科學院化學研究所王健君、中國科學院大學周昕團隊領銜完成的科研成果。這也是科學界首次在實驗上證實“臨界冰核”的存在。

該成果論文通訊作者、中國科學院化學研究所研究員王健君告訴中國青年報·中國青年網記者，了解水結冰過程不僅滿足了人們的好奇心，更是有用的知識——作為一個自然界的普遍現象，它不僅影響著地球上的氣候、地質及生命，還在化學工業(yè)、低溫生物學、材料科學等領域發(fā)揮著至關重要的作用，比如，細胞和組織的低溫凍存、維持疫苗在生產和輸運過程中的高活性以及飛機等交通工具的防冰涂層。

根據熱力學原理，水分子在溶液中會不停地進行熱運動；當溫度低于冰點，水分子會趨向進行有序的排列。冰核的形成，就是水分子的無序熱運動和水分子有序排列的競爭結果。當然，并非所有的冰核都能變成宏觀的冰晶，僅僅當形成的冰核大小超過臨界尺寸時，即形成“臨界冰核”時，水才會開始結冰。

近百年前，科學家吉布斯提出“臨界冰核”這一理論，并被寫入了教科書。然而，“臨界冰核”的真實面目卻始終沒人見過，人類對“水”和“冰核”之間的轉變更是知之甚少。

“畢竟太難觀察到了，科研人員一直無法給出存在臨界核的直接實驗證據。”王健君說，臨界冰核是水和冰相變過程中瞬間存在的過渡態(tài)——納秒級別，尺寸非常小——納米級別，在這些難題面前，人類的微觀探測技術“相形見絀”。所以也有科學家認為水結冰的過程根本不存在臨界核，只要水分子形成無序的團簇，再重構后就可形成大的冰晶，進而結冰。

如今，王健君團隊攜手中國科學院大學的周昕教授成功探測到“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。而破解這個百年難題的工具，并非冷凍電鏡，也不是計算機模擬，而是一把“納米尺子”。

王健君告訴記者，這次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。

“這是一個令人振奮的重大發(fā)現。”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，通過實驗結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量。韓國工程院院士Dong June AHN則評價道：該研究在冰成核領域是一個具有里程碑意義的工作之一。

（原題為《首次！中國科學家證實“水變冰”百年理論預言》）

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