临界冰核证实是怎么回事？临界冰核是什么 临界冰核证实意味着什么

在我们的日常生活中随处可见冰晶。晶莹剔透的雪花，从天而降的冰雹，或是清凉的饮料，都离不开冰晶的形成。

虽然冰晶如此普遍，但在分子水平上，人类仍然无法真正了解水分子相互结合形成“冰核”并长成宏观冰晶的过程。 .

12月19日，《自然》发表了一篇关于自然界中相变成核现象的研究。中科院化学所和国科大的研究人员首次通过实验证实了水冻结过程中临界冰核的存在，并给出了临界冰核大小之间的关系。冰核和过冷温度。经典的成核理论预测高度吻合。

根据热力学，水分子在溶液中会不断地进行热运动；当温度低于冰点时，水分子会趋于有序排列。冰核的形成是水分子无序的热运动与水分子的有序排列相互竞争的结果。然而，目前对于“水”与“冰芯”之间的过渡知之甚少。

100多年前，美国物理化学家吉布斯等人根据宏观热力学原理，提出了相变的“经典成核理论”。例如，水被过冷形成小冰核，相变只有在意外形成的冰核超过临界尺寸，形成临界核时才会自发发生。

然而，不幸的是，数百年来科学家一直无法通过实验验证临界核的存在。这不仅阻碍了对自然界中相变形核这一重要物理现象的进一步理解，甚至对宏观理论在微观层面推导临界形核概念的实用性提出了质疑。

临界冰芯具有发生时间较长的偶然性，存在寿命以纳秒为单位的瞬态性，以及纳米级尺寸的微观性，使得目前的显微检测技术难以捕捉到。这也成为了几十年来的研究难点。

研究人员创造性地使用了一系列固定尺寸的纳米粒子，例如氧化石墨烯纳米片来检测关键的冰核。将实验与理论计算相结合，简单明了地得到了临界冰核的大小。

“本实验研究得到的结果与理论计算高度吻合，与所用纳米粒子的种类、材料等因素无关。结论具有普适性，不仅证实了冰临界核心的存在，而且没有怀疑，但也可能用于研究其他一种普遍的相变核问题的方法，”该论文的通讯作者、中国科学院化学研究所研究员王建军说。

通过研究纳米粒子尺寸与其促进冰晶成核能力的关系，研究人员发现，只有当纳米粒子尺寸大于一定值时，才能有效促进临界冰成核，而较小尺寸的纳米粒子能有效促进冰晶成核。临界冰核。它几乎不促进冰核的形成。

论文另一通讯作者中国科学院大学周鑫教授表示，这项研究阐明了宏观“经典成核理论”在描述原子尺度临界冰核特征方面的有效性近几十年来。普遍怀疑，从理论上加深了对水冻结机制、相变现象，甚至统计物理学中宏观和微观关系的理解；同时，在细胞和组织的冷冻保存，以及在生产和运输过程中保持疫苗。在飞机等高活性车辆的防冰涂层中具有重要的应用价值。

对此，德国马普高分子研究所所长波恩表示，这是一项非常有意义的工作。实验结果直接证明了临界冰核的存在，也揭示了临界冰核的形成。所需的水分子数。这是一个令人兴奋且意义重大的发现。

“这项研究揭示了纳米颗粒尺寸和成核温度之间的相关性，并发现了一种检测临界冰成核的通用方法，我认为这是冰成核领域具有里程碑意义的工作之一。”韩国工程院院士Dong June AHN评论道。

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