冰晶在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)，晶瑩剔透的雪花、從天而降的冰雹、抑或是冰鎮(zhèn)爽口的飲料，都離不開(kāi)冰晶的形成。
盡管冰晶如此普遍的存在，但是，在分子層面，人類(lèi)依舊無(wú)法真實(shí)了解水分子以何種形態(tài)相互結(jié)合形成“冰核”進(jìn)而生長(zhǎng)成宏觀大冰晶的過(guò)程。。
12月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，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(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。
根據(jù)熱力學(xué)，水分子在溶液中會(huì)不停地進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng);當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)，水分子會(huì)趨向進(jìn)行有序的排列。冰核的形成就是水分子的無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)和水分子有序排列的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。然而，目前而言，人類(lèi)對(duì)“水”-“冰核”之間的轉(zhuǎn)變知之甚少。
一百多年前，美國(guó)物理化學(xué)家吉布斯等人基于宏觀熱力學(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。
然而，不幸地是百年來(lái)科學(xué)家始終無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證臨界核的存在。這不僅阻礙了對(duì)自然界中相變成核這一重要物理現(xiàn)象的進(jìn)一步理解，甚至還引發(fā)了人們對(duì)宏觀理論推出微觀層面臨界核概念實(shí)用性的疑問(wèn)。
臨界冰核具有需要等待很長(zhǎng)時(shí)間才可能發(fā)生的偶然性、存在壽命納秒級(jí)別的瞬時(shí)性以及納米級(jí)尺寸的微觀性，使得當(dāng)前已有的微觀探測(cè)技術(shù)都很難捕捉到它。這也成為數(shù)十年來(lái)的研究難點(diǎn)。
研究人員創(chuàng)造性地使用氧化石墨烯納米片等系列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)了冰臨界核的存在，而且可能是研究其它相變成核問(wèn)題的普適方法。”論文通訊作者、中科院化學(xué)所研究員王健君說(shuō)。
通過(guò)研究納米顆粒尺寸與其促進(jìn)冰晶成核能力的關(guān)系，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅當(dāng)納米顆粒的尺寸大于某個(gè)特殊值時(shí)才能有效地促進(jìn)臨界冰核形成，而較小尺寸的納米顆粒則幾乎不能促進(jìn)冰核的形成。
論文另一位通訊作者、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周昕教授表示，這項(xiàng)研究效澄清了近幾十年來(lái)關(guān)于宏觀的“經(jīng)典成核理論”在描述原子尺度臨界冰核特征的有效性方面的普遍疑慮，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的應(yīng)用價(jià)值。
對(duì)此，德國(guó)馬克斯-普朗克高分子研究所所長(zhǎng)Mischa Bonn表示，這是一個(gè)很有意義的工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了臨界冰核的存在，也揭示了形成臨界冰核所必需的水分子數(shù)量。這是一個(gè)令人振奮的重大發(fā)現(xiàn)。
“這項(xiàng)研究揭示了納米顆粒尺寸與成核溫度的相互關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)普適的探測(cè)臨界冰核的方法，我認(rèn)為這個(gè)研究工作在冰成核領(lǐng)域是一個(gè)具有里程碑意義的工作之一。”韓國(guó)工程院院士Dong June AHN評(píng)價(jià)道。
