中国科研人员首次通过实验证实水结冰过程中临界冰核的存在

科技日报北京12月19日电 (记者陆成宽)“冰冻三尺，非一日之寒”，自然界中水结冰等相变现象非常普遍。19日，《自然》发表了一项关于自然界中相变成核现象的研究成果。来自中科院化学所和国科大等单位的研究人员，首次通过实验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的关系，这一成果与经典成核理论预言高度契合。

美国物理化学家吉布斯等人100多年前基于热力学原理，提出的相变“经典成核理论”认为，水结冰这类相变需要经过一个成核过程。例如，水过冷形成小冰核，只有当形成的冰核偶然超过临界尺寸，形成临界核时，相变才能自发发生。但是，百年来科学家始终无法验证临界核的存在。

临界冰核具有需要等待很长时间才可能出现的偶然性、存在寿命小于纳秒的瞬时性以及纳米级尺寸的微观性，使得现有的微观探测技术很难捕捉到它。这也成为数十年来的研究难点。此次研究团队创造性地使用氧化石墨烯纳米片等固定尺寸的纳米颗粒去探测临界冰核，实验结合理论计算，简洁清晰地得到了临界冰核的尺寸。

“这项实验研究所得结果与理论计算高度相符，和使用纳米颗粒种类、材质等因素无关，结论具有普适性，不仅确定无疑地证实了临界冰核的存在，而且可以成为研究其他相变成核问题的普遍方法。”中科院化学所研究员王健君说。

王健君表示，这项研究在理论上加深了对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等方面的理解;同时，在细胞和组织的低温冻存、维持疫苗在生产和输运过程中的高活性以及飞机等交通工具的防冰涂层上有重要应用价值。