近百年前,科學家吉布斯提出“臨界冰核”這一理論,并被寫入了教科書。然而,“臨界冰核”的真實面目卻始終沒人見過,人類對“水”和“冰核”之間的轉(zhuǎn)變更是知之甚少
那么什么是“臨界冰核”?
臨界冰核是水和冰相變過程中瞬間存在的過渡態(tài)——納秒級別,尺寸非常小——納米級別,在這些難題面前,人類的微觀探測技術(shù)“相形見絀”。所以也有科學家認為水結(jié)冰的過程根本不存在臨界核,只要水分子形成無序的團簇,再重構(gòu)后就可形成大的冰晶,進而結(jié)冰。
2019年12月19日,國際知名學術(shù)期刊《自然》(Nature)在線發(fā)表了這一由中國科學院化學研究所王健君、中國科學院大學周昕團隊領(lǐng)銜完成的科研成果。這也是科學界首次在實驗上證實“臨界冰核”的存在,證實了經(jīng)典臨界冰核理論的百年預言。
從一系列的數(shù)據(jù)中獲得定量關(guān)系,當成核溫度和納米氧化石墨烯尺寸的乘積等于200時,水結(jié)冰
根據(jù)熱力學原理,水分子在溶液中會不停地進行熱運動;當溫度低于冰點,水分子會趨向進行有序的排列。冰核的形成,就是水分子的無序熱運動和水分子有序排列的競爭結(jié)果。當然,并非所有的冰核都能變成宏觀的冰晶,僅僅當形成的冰核大小超過臨界尺寸時,即形成“臨界冰核”時,水才會開始結(jié)冰。
研究發(fā)現(xiàn)'冰核’臨界尺寸的直徑約為10納米左右,這是水分子聚集形成冰晶結(jié)構(gòu),并快速形成大冰晶所需的最小臨界尺寸。
實驗結(jié)合理論計算,簡潔清晰地得到了“臨界冰核”的尺寸。而破解這個百年難題的工具,并非冷凍電鏡,也不是計算機模擬,而是一把“納米尺子”。
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