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中国科学家首次证实水结冰过程中“临界冰核”的存在

来源:光明日报客户端2019-12-19 13:07

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  水结冰是自然界中非常普遍的现象,它不仅潜移默化地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。掌握冰的形成过程将会给生产生活带来极大便利,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等。12月19日,中国科学院化学所王健君研究员、中国科学院大学周昕教授等人在Nature上发表论文,首次在实验上证实了水结冰过程中临界冰核的存在,并给出了临界冰核的尺寸和过冷温度的关系,符合经典成核理论的预言。这个工作对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等都有重要意义。

  王健君研究员介绍,低温下水结冰等相变现象非常普遍,不仅是科学研究的基本问题,同时有重要应用价值。吉布斯(Gibbs)等人近百年前基于热力学原理,提出相变的“经典成核理论”。近年来,随着微观探测技术的发展,研究人员对相变过程的认识越来越深刻,证实了经典成核理论的许多推论,但对成核的核心概念“临界核”的存在性,始终无法给出直接的实验证据,阻碍了对自然界中相变成核这一重要物理现象的进一步理解,甚至引起对宏观推论给出微观层面临界核概念的实用性也有产生疑问。

  “冰临界核被认为是过冷水结冰过程中非常偶然发生的,并且一旦发生瞬间消失或者长大的,不稳定的纳米颗粒。其偶然性(需要等待很长时间才可能发生)、瞬时性(存在寿命小于纳秒级别)、和微观性(纳米级尺寸),使得当前已有的微观探测技术都很难成功应用,成为数十年来的研究难点。”王健君说:“我们的研究人员创造性地使用系列固定尺寸的纳米颗粒去探测临界冰成核,与纳米颗粒的尺寸匹配信号,实验结合理论计算,简洁清晰地得到了冰临界核的尺寸。这项实验研究所得结果与理论计算高度相符,并且结论普适,即和使用纳米颗粒种类材质等因素无关,从而不仅确定无疑地证实了冰临界冰核的存在,而且有可能是是研究其它相变成核问题的普适普遍方法。”(光明日报全媒体记者袁于飞)

[ 责编:孙宗鹤 ]
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