什么是临界冰核？

近百年前，美国物理学家吉布斯基于简单的假设，给出了临界冰核的答案.但是，临界冰核的真实面目从未见过.接下来，金投小编介绍什么是临界冰核？

12月19日凌晨，新一期《自然》杂志公布了中国科学院化学研究所、中国科学院大学及河北工业大学研究人员的成果.他们证实了水结冰过程中临界冰核的存在，并给出了临界冰核的尺寸和过冷温度之间的关系.

从简单问题出发

自然界的物质在特定条件下自愿从一个状态变成另一个状态.例如，低温下的水会结冰，这被科学家称为相变.吉布斯等人提出了相变的古典核理论，预言相变需要经过核的过程.近年来，这一经典理论受到新实验证据的质疑.

例如，过冷水中偶然形成不同大小的冰核，形成的核超过临界尺寸时，临界核形成，相变开始自发.该论文通信作者、中国科学院化学研究所研究员王健君说明.为了证明吉布斯的预言，必须找到临界冰核.

2010年，王健君锁定了自己的研究领域.水是怎么变成冰的，这个听起来很简单的问题，其实蕴含着深刻的科学道理.他告诉《中国科学报》.

实际上，了解水结冰的过程不仅满足了人们的好奇心，也是有用的知识——作为自然界的普遍现象，不仅对地球的气候、地质、生命产生了沉默的影响，在化学工业、低温生物学、材料科学等领域也发挥着重要的作用.

与冰淇淋的口感有关，实验表明冰淇淋味道好，冰晶尺寸约保持在发丝的一半，约40微米.王健君说. ；

来自自自然界的启示

冰晶虽然普遍存在，但在分子层面，人类无法真正理解水分子以什么形态形成冰核成长为大冰晶的过程.德国马克斯·普朗克高分子研究所(美因茨)所长Mischa指出，其中的核心问题是水分子如何形成冰核的微观过程，即冰晶成核过程.

长期致力于水结冰过程研究的王健君发现，直接观察逮捕临界冰核并不容易.

这个过程发生在随机时刻，尺寸非常小，现有的设备很难同时观察到时间、空间尺寸这么小的随机事件.王健君说:只能考虑间接的方法.

生存在中国北方寒冷地区的昆虫冬尺外翻给了他们启示.研究人员发现，低温下低温下生存的冬尺外翻带抗冻蛋白，能够抑制体内冰晶的成长.另一种作用相反的蛋白质冰晶核蛋白能有效地促进冰核的形成，现在被用作人工雪剂.

研究人员发现结构相似，唯一的区别是尺寸.抗冻蛋白尺寸大约在1-2nm左右，冰晶核蛋白在几十nm级.王健君说.由此可见，尺寸是决定冰核能否形成的重要因素.

小颗粒发挥着很大的作用

在定性认识的基础上，量化关系的测量成为下一个目标-多大尺寸，什么温度影响成核过程，成为研究团队探索的科学问题.

他们设计制备了一系列尺寸和化学性质狭窄分布的氧化石纳米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯对核温度的影响.

在观察中，研究人员发现含有8nm尺寸氧化石墨烯的水滴，在零下27摄氏度.6度冻结；含有11纳米氧化石墨烯的水滴，在零下17摄氏度.6度冻结.最终，他们从一系列数据中获得定量关系，当核温度和纳米氧化石墨烯尺寸的乘积等于200时，水冻结.

即纳米颗粒尺寸在促进冰成核能力方面的尺寸门槛现象普遍，与过冷温度成反比关系，但几乎不依赖纳米颗粒的种类、表面化学性质等特点.

此外，研究人员还通过理论计算分析发现，冰成核自由能垒的突变来源于纳米片边界效应引起的临界冰核形状的变化.

实验可以理解为以尺寸决定的纳米粒子为尺寸，测量通常的方法无法捕获的微瞬时临界冰核:持续降低温度可以使冰核达到临界尺寸，当该尺寸与纳米粒子的尺寸相当时，临界冰核容易形成，宏观冰晶可以通过光学显微镜快速形成论文的另一位通信作者，中国科学院大学教授周昕说明.

作为该领域的专家，Mischabonn高度评价了这个成果.研究队通过纳米处理实验材料表面，发现冰核临界尺寸的直径约为10纳米，水分子聚集形成冰晶结构，迅速形成大冰晶所需的最小临界尺寸.

这一成果大大加深了对水结冰这一重要相变现象的微观机制理解，也为人为控制冰的应用提供了重要的理论指导.

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