科技日報記者 陸成寬
冰晶在我們的日常生活中隨處可見，晶瑩剔透的雪花、從天而降的冰雹、抑或是冰鎮爽口的飲料，都離不開冰晶的形成。
儘管冰晶如此普遍的存在，但是，在分子層面，人類依舊無法真實了解水分子以何種形態相互結合形成「冰核」進而生長成宏觀大冰晶的過程。
12月19日，《自然》發表了一項關於自然界中相變成核現象的研究成果。來自中科院化學所和國科大等單位的研究人員，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，這一成果與經典成核理論預言高度契合。
根據熱力學，水分子在溶液中會不停地進行熱運動；當溫度低於冰點，水分子會趨向進行有序的排列。冰核的形成就是水分子的無序熱運動和水分子有序排列的競爭結果。然而，目前而言，人類對「水」-「冰核」之間的轉變知之甚少。
一百多年前，美國物理化學家吉布斯等人基於宏觀熱力學原理，提出的相變「經典成核理論」認為，水結冰這類相變需要經過一個成核過程。例如，水過冷形成小冰核，只有當形成的冰核偶然超過臨界尺寸，形成臨界核時，相變才能自發發生。
然而，不幸地是百年來科學家始終無法通過實驗驗證臨界核的存在。這不僅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，甚至還引發了人們對宏觀理論推出微觀層面臨界核概念實用性的疑問。
臨界冰核具有需要等待很長時間才可能發生的偶然性、存在壽命納秒級別的瞬時性以及納米級尺寸的微觀性，使得當前已有的微觀探測技術都很難捕捉到它。這也成為數十年來的研究難點。
不同尺寸納米顆粒的冰成核溫度（TIN）
研究人員創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。
「這項實驗研究所得結果與理論計算高度相符，和使用納米顆粒種類、材質等因素無關，結論具有普適性，不僅確定無疑地證實了冰臨界核的存在，而且可能是研究其它相變成核問題的普適方法。」論文通訊作者、中科院化學所研究員王健君說。
通過研究納米顆粒尺寸與其促進冰晶成核能力的關係，研究人員發現，僅當納米顆粒的尺寸大於某個特殊值時才能有效地促進臨界冰核形成，而較小尺寸的納米顆粒則幾乎不能促進冰核的形成。
論文另一位通訊作者、中國科學院大學周昕教授表示，這項研究效澄清了近幾十年來關於宏觀的「經典成核理論」在描述原子尺度臨界冰核特徵的有效性方面的普遍疑慮，在理論上加深了對水結冰機理、相變現象乃至統計物理中宏觀和微觀關係等方面的理解；同時，在細胞和組織的低溫凍存、維持疫苗在生產和輸運過程中的高活性以及飛機等交通工具的防冰塗層上有重要的應用價值。
對此，德國馬克斯-普朗克高分子研究所所長Mischa Bonn表示，這是一個很有意義的工作，通過實驗結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量。這是一個令人振奮的重大發現。
「這項研究揭示了納米顆粒尺寸與成核溫度的相互關係，並發現了一個普適的探測臨界冰核的方法，我認為這個研究工作在冰成核領域是一個具有裡程碑意義的工作之一。」韓國工程院院士Dong June AHN評價道。
來源：科技日報