首次！中国科学家证实“水变冰”百年理论预言

近百年前，科学家吉布斯提出“临界冰核”这一理论，并被写入了教科书。然而，“临界冰核”的真实面目却始终没人见过，人类对“水”和“冰核”之间的转变更是知之甚少

那么什么是“临界冰核”？

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。

2019年12月19日，国际知名学术期刊《自然》（Nature）在线发表了这一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的科研成果。这也是科学界首次在实验上证实“临界冰核”的存在，证实了经典临界冰核理论的百年预言。

从一系列的数据中获得定量关系，当成核温度和纳米氧化石墨烯尺寸的乘积等于200时，水结冰

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。

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。

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”。