中國科學(xué)家首次在實(shí)驗上證實(shí)了水結冰過(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，從而證實(shí)了“經(jīng)典成核理論”的預言。研究成果19日在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線(xiàn)發(fā)表。
低溫下水結冰的現象再常見(jiàn)不過(guò)，但微觀(guān)層面上“水變冰”的具體過(guò)程卻不為人所知。近百年前，科學(xué)家吉布斯等人基于熱力學(xué)原理，提出相變的“經(jīng)典成核理論”，認為如水結冰這類(lèi)相變需經(jīng)過(guò)一個(gè)成核過(guò)程，水過(guò)冷形成小冰核，僅當形成的冰核偶然超過(guò)臨界尺寸（即“臨界冰核”）時(shí)，相變才能自發(fā)發(fā)生。
然而，由于“臨界冰核”的偶然性、瞬時(shí)性（納秒級別）和微觀(guān)性（納米級別），給微觀(guān)探測帶來(lái)極大難度。數十年來(lái)，微觀(guān)探測技術(shù)的發(fā)展使得“經(jīng)典成核理論”的許多推論得到證實(shí)，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(wú)法給出直接的實(shí)驗證據。
此次，中科院化學(xué)所王健君、中國科學(xué)院大學(xué)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(shí)驗結合理論計算，簡(jiǎn)潔清晰地得到了“臨界冰核”的尺寸。
“本實(shí)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’：持續降低溫度以使冰核達到臨界所需尺寸，當這個(gè)尺寸恰好與納米顆粒尺寸相當時(shí)，‘臨界冰核’容易形成，并導致宏觀(guān)冰晶快速發(fā)生從而可被探測。”王健君說(shuō)。
據介紹，該項課題研究加深了對水結冰這一重要相變現象的微觀(guān)機制的理解，也為實(shí)現人為控冰應用提供了重要理論指引，例如調控冰晶形成和生長(cháng)、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(xué)工業(yè)、低溫生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
進(jìn)一步研究表明，該課題研究結論具有普適性，可成為研究其他相變成核問(wèn)題的普適方法。
