新華社北京12月19日電中國(guó)科學(xué)家首次證實(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”大小與過(guò)冷溫度的關(guān)系，從而證實(shí)了“經(jīng)典成核理論”的預(yù)測(cè)。研究結(jié)果于19日在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線(xiàn)發(fā)表。

水在低溫下結(jié)冰是很常見(jiàn)的，但是微觀層面上“水結(jié)冰”的具體過(guò)程是未知的。近百年前，科學(xué)家吉布斯等人提出了基于熱力學(xué)原理的相變“經(jīng)典成核理論”，認(rèn)為水結(jié)冰等相變需要一個(gè)成核過(guò)程，水過(guò)冷形成小的冰核，只有當(dāng)形成的冰核偶然超過(guò)臨界尺寸時(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)性和微觀性，微探測(cè)極其困難。幾十年來(lái)，隨著微探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，“經(jīng)典成核理論”的許多推論得到了證實(shí)，但研究人員一直無(wú)法對(duì)成核理論的核心概念“臨界核”的存在給出直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這一次，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的王建軍和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的周信創(chuàng)造性地使用了一系列固定尺寸的納米粒子來(lái)探測(cè)“臨界冰核”，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算簡(jiǎn)潔明了地獲得了“臨界冰核”的尺寸。

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以理解為用大小相等的納米粒子作為標(biāo)尺來(lái)測(cè)量‘臨界冰核’:不斷降低溫度，使冰核達(dá)到所需的臨界尺寸。當(dāng)這個(gè)尺寸與納米粒子的尺寸相同時(shí)，就很容易形成“臨界冰核”。并導(dǎo)致大冰晶的快速出現(xiàn)，以便它們能夠被探測(cè)到?！蓖踅ㄜ娬f(shuō)。

據(jù)介紹，本課題的研究加深了對(duì)水凍結(jié)這一重要相變現(xiàn)象的微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也為人工控冰的應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)，如調(diào)控冰晶的形成和生長(zhǎng)，提高細(xì)胞和組織冷凍保存的恢復(fù)效率，提高食品生產(chǎn)和冷藏的新鮮度等。它將在化學(xué)工業(yè)、低溫生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

進(jìn)一步的研究表明，本課題的研究結(jié)論具有普適性，可以成為研究其他階段到核心問(wèn)題的通用方法。