经典成核理论,中国科学家首次通过实验证实临界冰核的存在

原标题:我科学家首次证实“临界冰核”存在    【科技前沿】    本报讯(记者袁于飞)水结冰是自然界中非常普遍的现象,它不仅潜移默化地影响着地球上的气候、地质及生命,还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用。掌握冰的形成过程将会给生产生活带来极大便利,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等。日前,中国科学院化学所研究员王健君、中国科学院大学教授周昕等人在《自然》上发表论文,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,符合经典成核理论的预言。这个工作对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等都有重要意义。    王健君介绍,低温下水结冰等相变现象不仅是科学研究的基本问题,同时有重要应用价值。吉布斯(Gibbs)等人近百年前基于热力学原理,提出相变的“经典成核理论”。近年来,随着微观探测技术的发展,研究人员对相变过程的认识越来越深刻,证实了经典成核理论的许多推论,但对成核的核心概念“临界核”的存在性,始终无法给出直接的实验证据,阻碍了对自然界中相变成核这一重要物理现象的进一步理解,甚至引起对宏观推论给出微观层面临界核概念的实用性产生疑问。    “‘临界冰核’被认为是过冷水结冰过程中非常偶然发生的,并且一旦发生瞬间消失或者长大的,不稳定的纳米颗粒。其偶然性(需要等待很长时间才可能发生)、瞬时性(存在寿命纳秒级别)、和微观性(纳米级尺寸),使得当前已有的微观探测技术都很难成功应用,成为数十年来的研究难点。”王健君说,“我们的研究人员创造性地使用系列固定尺寸的纳米颗粒去探测‘临界冰核’,实验结合理论计算,简洁清晰地得到了‘临界冰核’的尺寸。这项实验研究所得结果与理论计算高度相符,并且结论普适,即和使用纳米颗粒种类材质等因素无关,不仅确定无疑地证实了‘临界冰核’的存在,而且有可能是研究其他相变成核问题的普适方法。”

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水结冰是自然界中非常普遍的现象,它不仅潜移默化地影响着地球上的气候、地质及生命,还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用。掌握冰的形成过程将会给生产生活带来极大便利,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等。日前,中国科学院化学所研究员王健君、中国科学院大学教授周昕等人在《自然》上发表论文,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,符合经典成核理论的预言。这个工作对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等都有重要意义。

新华社北京12月19日电中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。

原标题: 中国科学家首次通过实验证实临界冰核的存在

王健君介绍,低温下水结冰等相变现象不仅是科学研究的基本问题,同时有重要应用价值。吉布斯等人近百年前基于热力学原理,提出相变的“经典成核理论”。近年来,随着微观探测技术的发展,研究人员对相变过程的认识越来越深刻,证实了经典成核理论的许多推论,但对成核的核心概念“临界核”的存在性,始终无法给出直接的实验证据,阻碍了对自然界中相变成核这一重要物理现象的进一步理解,甚至引起对宏观推论给出微观层面临界核概念的实用性产生疑问。

低温下水结冰的现象再常见不过,但微观层面上“水变冰”的具体过程却不为人所知。近百年前,科学家吉布斯等人基于热力学原理,提出相变的“经典成核理论”,认为如水结冰这类相变需经过一个成核过程,水过冷形成小冰核,仅当形成的冰核偶然超过临界尺寸时,相变才能自发发生。

“冰冻三尺,非一日之寒”,自然界中水结冰等相变现象非常普遍。19日,《自然》发表了一项关于自然界中相变成核现象的研究成果。来自中科院化学所和国科大等单位的研究人员,首次通过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,这一成果与经典成核理论预言高度契合。

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