臨界冰核證實是怎麼回事

水結冰是自然界中非常普遍的現象，它不僅潛移默化地影響着地球上的氣候、地質及生命，還在化學工業、低温生物學、材料科學等領域發揮着至關重要的作用。掌握冰的形成過程將會給生產生活帶來極大便利，如細胞和組織的低温凍存，維持疫苗在生產和輸運過程中的高活性等。12月19日，中國科學院化學所王健君研究員、中國科學院大學周昕教授等人在Nature上發表論文，首次在實驗上證實了水結冰過程中臨界冰核的存在，並給出了臨界冰核的尺寸和過冷温度的關係，符合經典成核理論的預言。這個工作對水結冰機理、相變現象乃至統計物理中宏觀和微觀關係等都有重要意義。

王健君研究員介紹，低温下水結冰等相變現象非常普遍，不僅是科學研究的基本問題，同時有重要應用價值。吉布斯（Gibbs）等人近百年前基於熱力學原理，提出相變的“經典成核理論”。近年來，隨着微觀探測技術的發展，研究人員對相變過程的認識越來越深刻，證實了經典成核理論的許多推論，但對成核的核心概念“臨界核”的存在性，始終無法給出直接的實驗證據，阻礙了對自然界中相變成核這一重要物理現象的進一步理解，甚至引起對宏觀推論給出微觀層面臨界核概念的實用性也有產生疑問。

“冰臨界核被認為是過冷水結冰過程中非常偶然發生的，並且一旦發生瞬間消失或者長大的，不穩定的納米顆粒。其偶然性（需要等待很長時間才可能發生）、瞬時性（存在壽命小於納秒級別）、和微觀性（納米級尺寸），使得當前已有的微觀探測技術都很難成功應用，成為數十年來的研究難點。”王健君説：“我們的研究人員創造性地使用系列固定尺寸的納米顆粒去探測臨界冰成核，與納米顆粒的尺寸匹配信號，實驗結合理論計算，簡潔清晰地得到了冰臨界核的尺寸。這項實驗研究所得結果與理論計算高度相符，並且結論普適，即和使用納米顆粒種類材質等因素無關，從而不僅確定無疑地證實了冰臨界冰核的存在，而且有可能是是研究其它相變成核問題的普適普遍方法。”（文/光明日報 袁于飛）