中國科學家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」的尺寸和過冷溫度的關係，從而證實了「經典成核理論」的預言。研究成果19日在國際知名學術期刊《自然》在線發表。
低溫下水結冰的現象再常見不過，但微觀層面上「水變冰」的具體過程卻不為人所知。近百年前，科學家吉布斯等人基於熱力學原理，提出相變的「經典成核理論」，認為如水結冰這類相變需經過一個成核過程，水過冷形成小冰核，僅當形成的冰核偶然超過臨界尺寸（即「臨界冰核」）時，相變才能自發發生。
然而，由於「臨界冰核」的偶然性、瞬時性（納秒級別）和微觀性（納米級別），給微觀探測帶來極大難度。數十年來，微觀探測技術的發展使得「經典成核理論」的許多推論得到證實，但對成核理論的核心概念「臨界核」的存在性，研究人員始終無法給出直接的實驗證據。
此次，中科院化學所王健君、中國科學院大學周昕團隊創造性地使用系列固定尺寸的納米顆粒去探測「臨界冰核」，實驗結合理論計算，簡潔清晰地得到了「臨界冰核」的尺寸。
「本實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，當這個尺寸恰好與納米顆粒尺寸相當時，『臨界冰核』容易形成，並導致宏觀冰晶快速發生從而可被探測。」王健君說。
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機制的理解，也為實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、提高細胞組織等冷凍保存的復甦效率、提高食品製作冷藏的保鮮度等，將在化學工業、低溫生物學、材料科學等領域發揮至關重要的作用。
進一步研究表明，該課題研究結論具有普適性，可成為研究其他相變成核問題的普適方法。