重磅!中国学者首次证实“水变冰”百年理论预言,自然发文-天富娱乐

俗话说,“罗马不是一天建成的”,水是怎么变成冰的?

这个问题似乎很简单,但是几百年来没有人能解释清楚。

如今,中国科学家在实验上“再现”了水结冰的过程,揭示了这一过程中“临界冰核”的存在,证实了经典临界冰核理论的百年预言。

12月19日,国际知名学术期刊《自然》在线发表了由中国科学院化学研究所王建军和中国科学院大学周信领导的研究成果

这也是科学界首次在实验上证实“临界冰核”的存在。

视频:中国科学院化学研究所研究员王建军解释了科学成果

汪建军,该论文通讯作者,中国科学院化学研究所研究员,告诉中国青年报-中国青年网天富代理,了解水结冰的过程不仅满足人们的好奇心。更有用的知识——

作为自然界的一种普遍现象,它不仅影响地球的气候、地质和生命,而且在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用。

比如,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以及飞机等交通工具的防冰涂层。

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根据热力学原理,水分子将在溶液中保持热运动。当温度低于冰点时,水分子会有序排列。冰核的形成是水分子无序热运动和水分子有序排列竞争的结果。

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。

将近100年前,科学家吉布斯提出了“临界冰核”理论,并被写入了教科书

然而,没有人见过“临界冰核”的真实面目,人们对“水”和“冰核”之间的变化知之甚少。

”毕竟,这太难观察了。研究人员无法为临界核的存在提供直接的实验证据。”王建军说。

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”。

因此,一些科学家也认为在水结冰的过程中没有临界核。只要水分子形成无序的团簇,重建后就会形成大冰晶,从而冻结。

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现在,王建军的团队与中国科学院周信教授一起成功探测到了“临界冰核”。通过实验和理论计算,简明而清晰地获得了“临界冰核”的大小。

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”。

王建军告诉天富代理,这个实验可以理解为用一定大小的纳米粒子作为标尺来测量“临界冰芯”:不断降低温度,使冰芯达到临界所需大小。当这个尺寸刚好等于纳米粒子的尺寸时,“临界冰核”很容易形成,这导致大冰晶的快速出现,因此可以被检测到。

这是一个令人振奋的重大发现。”德国马克斯·普朗克聚合物研究所所长米莎·波恩(Mischa Bonn)表示,这是一项非常有意义的工作。实验结果直接证明了临界冰核的存在,并揭示了形成临界冰核所需的水分子数量。

韩国工程院院士董琼·AHN评论道:该研究在冰成核领域是一个具有里程碑意义的工作之一。

微信编辑天富代理:邱晨辉

图片视频:中科院化学所王健君团队

中国青年报·中青在线出品

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