“临界冰核”的存在首次获得实验验证
近日，我校“元光学者”、材料科学与工程学院青年教师、能源装备材料技术研究院殷福星研究团队讲师白国英，以及我校理学院生物物理研究所讲师高冬分别以第一作者和第二作者身份，在国际学术期刊 Nature （ Nature , 2019, 576, 437–441）上发表论文 “Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets”。该论文首次验证了“临界冰核”的存在。
水结冰，包含了诸多基本科学规律。“经典成核理论”认为，相变需要经过一个成核过程，例如，水过冷形成小冰核，仅当形成的冰核偶然超过临界尺寸，即形成临界核时，相变才能自发发生。但由于水分子的特殊复杂性，其成核具有偶然性、瞬时性和微观性，所以近百年来始终没有直接从实验上证实成核过程的核心概念——临界冰核——的存在性，这严重阻碍了人类对自然界中相变形核这一重要物理现象的深入理解，甚至对临界核概念的可靠性也产生了巨大疑问。
白国英与中国科学院化学研究所王健君研究团队创造性地利用尺寸固定的纳米颗粒作为“尺子”去“量”临界冰核，即在水中放入不同尺寸的纳米颗粒，然后持续降低温度，观察这些水样品的结冰情况。当看到水中由于形成临界冰核而导致快速结冰的时候，该水中放入的纳米颗粒的尺寸就是临界冰核的尺寸。团队首次实验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。
该研究成果具有很高的普适性。实验结果和理论预期在诸如氧化石墨烯纳米片等多种材料上高度符合，简洁清晰并确定无疑地表明基于宏观物理原理导出的经典成核理论的核心概念在纳米尺度的有效性。该研究成果对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等学术问题都有着十分重要的意义。同时这种探测临界冰核的研究策略也可以用于其它相变成核过程的临界核探测，从而深化了目前科学界对整个相变形核机理的认识。
此外，该研究结果也为人为控冰应用提供了重要的理论指导，具有重要的工程应用价值。
图：二维纳米片表面成核自由能垒与临界冰核形成示意图
该论文通讯作者为中国科学院化学研究所王健君研究员和中国科学院大学周昕教授。
编辑/屠琼芳 审核/尹宗毅