中國(guó)科學(xué)家首次證實(shí)臨界冰核的存在

科技日?qǐng)?bào)北京12月19日電 (記者陸成寬)“冰凍三尺，非一日之寒”，自然界中水結(jié)冰等相變現(xiàn)象非常普遍。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(lái)自中科院化學(xué)所和國(guó)科大等單位的研究人員，首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了水結(jié)冰過(guò)程中臨界冰核的存在，并給出了臨界冰核的尺寸和過(guò)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。

美國(guó)物理化學(xué)家吉布斯等人100多年前基于熱力學(xué)原理，提出的相變“經(jīng)典成核理論”認(rèn)為，水結(jié)冰這類(lèi)相變需要經(jīng)過(guò)一個(gè)成核過(guò)程。例如，水過(guò)冷形成小冰核，只有當(dāng)形成的冰核偶然超過(guò)臨界尺寸，形成臨界核時(shí)，相變才能自發(fā)發(fā)生。但是，百年來(lái)科學(xué)家始終無(wú)法驗(yàn)證臨界核的存在。

臨界冰核具有需要等待很長(zhǎng)時(shí)間才可能出現(xiàn)的偶然性、存在壽命小于納秒的瞬時(shí)性以及納米級(jí)尺寸的微觀性，使得現(xiàn)有的微觀探測(cè)技術(shù)很難捕捉到它。這也成為數(shù)十年來(lái)的研究難點(diǎn)。此次研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地使用氧化石墨烯納米片等固定尺寸的納米顆粒去探測(cè)臨界冰核，實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算，簡(jiǎn)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(lèi)、材質(zhì)等因素?zé)o關(guān)，結(jié)論具有普適性，不僅確定無(wú)疑地證實(shí)了臨界冰核的存在，而且可以成為研究其他相變成核問(wèn)題的普遍方法。”中科院化學(xué)所研究員王健君說(shuō)。

王健君表示，這項(xiàng)研究在理論上加深了對(duì)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(shí)，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(guò)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應(yīng)用價(jià)值。