我国科学家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，从而证实了“经典成核理论”的预言。研究成果19日在国际知名学术期刊《自然》在线发表。

美国物理化学家吉布斯等人100多年前基于热力学原理，提出的相变“经典成核理论”认为，水结冰这类相变需要经过一个成核过程。例如，水过冷形成小冰核，只有当形成的冰核偶然超过临界尺寸，形成临界核时，相变才能自发发生。但是，百年来科学家始终无法验证临界核的存在。

临界冰核具有需要等待很长时间才可能出现的偶然性、存在寿命小于纳秒的瞬时性以及纳米级尺寸的微观性，使得现有的微观探测技术很难捕捉到它。我国中科院化学所王健君、中国科学院大学周昕团队创新性地使用了氧化石墨烯纳米片等固定尺寸的纳米颗粒去探测临界冰核，最终简洁清晰地得到了临界冰核的尺寸。

此次实验的过程大概是这样的：采用系列尺寸固定的纳米级尺子，来度量‘临界冰核’，再在实验中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，此时的临界冰核就容易形成，从而导致区域固相代替液相，发生成核过程。最后研究发现‘冰核’临界尺寸的直径约为10纳米左右，这是水分子聚集形成冰晶结构，并快速形成大冰晶所需的最小临界尺寸。此外，研究人员还通过理论计算分析，发现冰成核自由能垒的突变来源于纳米片边界效应导致的临界冰核形状的变化。

“这项实验研究所得结果与理论计算高度相符，和使用纳米颗粒种类、材质等因素无关，结论具有普适性，不仅确定无疑地证实了临界冰核的存在，而且可以成为研究其他相变成核问题的普遍方法。”中科院化学所研究员王健君说。

王健君表示，这项研究在理论上加深了对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等方面的理解；同时，在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上有重要应用价值。

“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。