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中国科学家首次证实“水变冰”百年没弄清楚

科技 2019-12-19 16:10200未知admin

俗话说,“冰冻三尺,非一日之寒”,那么水究竟是怎么变成冰的?这个问题看似简单,上百年来却没有人能够说得清楚。如今,中国科学家在实验上“再现”了水结冰的过程,揭示了这一过程中“临界冰核”的存在,证实了经典临界冰核理论的百年预言。

这一成果发表在国际知名学术期刊《自然》(Nature)上。这次研究由中国科学院化学研究所王健君、中国科学院大学周昕团队领衔完成。

该成果论文通讯作者、中国科学院化学研究所研究员王健君告诉记者,了解水结冰过程不仅满足了人们的好奇心,更是有用的知识——作为一个自然界的普遍现象,它不仅影响着地球上的气候、地质及生命,还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用,比如,细胞和组织的低温冻存、维持疫苗在生产和输运过程中的高活性以及飞机等交通工具的防冰涂层。

低温下水结冰的现象再常见不过,但微观层面上“水变冰”的具体过程却不为人所知。近百年前,科学家吉布斯等人基于热力学原理,提出相变的“经典成核理论”,认为如水结冰这类相变需经过一个成核过程,水过冷形成小冰核,仅当形成的冰核偶然超过临界尺寸(即“临界冰核”)时,相变才能自发发生。

然而,由于“临界冰核”的偶然性、瞬时性(纳秒级别)和微观性(纳米级别),给微观探测带来极大难度。数十年来,微观探测技术的发展使得“经典成核理论”的许多推论得到证实,但对成核理论的核心概念“临界核”的存在性,研究人员始终无法给出直接的实验证据。

 此次,中科院化学所王健君、中国科学院大学周昕团队创造性地使用系列固定尺寸的纳米颗粒去探测“临界冰核”,实验结合理论计算,简洁清晰地得到了“临界冰核”的尺寸。

“本实验可以理解为用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子,去度量‘临界冰核’:持续降低温度以使冰核达到临界所需尺寸,当这个尺寸恰好与纳米颗粒尺寸相当时,‘临界冰核’容易形成,并导致宏观冰晶快速发生从而可被探测。”王健君说。

根据热力学原理,水分子在溶液中会不停地进行热运动;当温度低于冰点,水分子会趋向进行有序的排列。冰核的形成,就是水分子的无序热运动和水分子有序排列的竞争结果。当然,并非所有的冰核都能变成宏观的冰晶,仅仅当形成的冰核大小超过临界尺寸时,即形成“临界冰核”时,水才会开始结冰。

尽管近百年前科学界早已有人提出“临界冰核”理论,即仅当形成的冰核大小超过临界尺寸时水才会开始结冰,但科研人员一直无法给出存在临界核的直接实验证据。临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态,时间为纳秒级别,尺寸为纳米级别,非常难以观察。

“毕竟太难观察到了,科研人员一直无法给出存在临界核的直接实验证据。”王健君说,临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态——纳秒级别,尺寸非常小——纳米级别,在这些难题面前,人类的微观探测技术“相形见绌”。所以也有科学家认为水结冰的过程根本不存在临界核,只要水分子形成无序的团簇,再重构后就可形成大的冰晶,进而结冰。

如今,王健君团队携手中国科学院大学的周昕教授成功探测到“临界冰核”,实验结合理论计算,简洁清晰地得到了“临界冰核”的尺寸。而破解这个百年难题的工具,并非冷冻电镜,也不是计算机模拟,而是一把“纳米尺子”。

王健君告诉记者,这次实验可以理解为用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子,去度量“临界冰核”:持续降低温度以使冰核达到临界所需尺寸,当这个尺寸恰好与纳米颗粒尺寸相当时,“临界冰核”容易形成,并导致宏观冰晶快速发生从而可被探测。 

“这是一个令人振奋的重大发现。”德国马克斯-普朗克高分子研究所所长Mischa Bonn表示,这是一个很有意义的工作,通过实验结果直接证明了临界冰核的存在,也揭示了形成临界冰核所必需的水分子数量。韩国工程院院士Dong June AHN则评价道:该研究在冰成核领域是一个具有里程碑意义的工作之一。

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