艾莎公主是怎么“點水成冰”的？這篇Nature文章會給你答案

問：水是怎么釀成冰的？

答：凍的唄！

很好！可是光有低溫就夠了么？俗話說：“冰凍三尺，非一日之寒”。可是，在影片《冰雪奇緣》里，為什么艾莎公本家兒一觸碰著水，水就立即釀成了冰？

（圖片來歷：片子《冰雪奇緣》截圖）
水事實是若何凍當作冰的？在這個過程中到底發生了什么？這個問題看似簡單，上百年來卻沒有人可以或許說得清晰。

不外，今天，一篇Nature的文章可覺得我們解開這個謎團：Probing the critical nucleus size for iceformation with graphene oxidenanosheets。論文的通信作者是中國科學院化學研究所的王健君研究員和中國科學院大學的周昕傳授，第一作者是河海說神聊工業大學的白國英。

結冰，還需要一種“核”？

天然界的物質都有從高能量標的目的低能量轉變的趨向，低溫前提下冰比水的自由能更低，所以液態水有結當作冰塊的趨向。可是在水分子團聚當作冰的過程中，同時也必需降服新發生的冰與水的界面能。

如下圖所示，黑線就是水釀成冰的必經之路：水釀成冰的能量轉變過程不是一路標的目的下，而是需要先越過具有必然高度的能壘障礙，才能在結冰的道路上一去不回頭。

△水釀成冰需要降服能壘（圖片來歷：http://pruffle.mit.edu/~ccarter/3.21/Lecture_24/）

水是怎么爬上能量山坡的？需要形當作“臨界核”。

一百多年前，美國物理化學家吉布斯等人提出了 “經典當作核理論”：認為水結冰這類相變需要顛末當作核過程。具體地說：過冷水（0℃以下的液態水）中可以偶爾形當作分歧巨細的納米標準的冰核。不外，不是所有的冰核都能釀成宏不雅的冰晶，僅僅當形當作的冰核巨細跨越臨界尺寸時，即形當作臨界冰核時，水才會起頭結冰。

所以，冰的形當作可以被分為形當作冰核及發展兩個過程。此中，生當作冰核不單是冰形當作的肇端，還決議著結冰的速度。純凈的過冷水要結冰長短常遲緩的，可是若是您把一塊冰放入過冷水中，水就會敏捷結冰，這塊冰就半斤八兩于龐大的冰核（如下圖）。

△您也可以擁有艾莎的力量~（動圖來歷：知乎）

一把“尺子” 抓住轉瞬即逝的臨界冰核

固然“經典當作核理論”被寫入了教科書，可是，近幾十年的研究發現相變過程可能紛歧定需要顛末臨界核階段，有人甚至起頭質疑“臨界核”的存在。

更為棘手的是，此前科研人員一向無法給出存在臨界核的直接嘗試證據。臨界冰核是水-冰相變過程中剎時存在（納秒級別）的過渡態，并且尺寸很是小（納米級別），難以探測到。所以也有科學家認為水結冰的過程底子不存在臨界核，只要水分子形當作無序的團簇，再重構后就可形當作大的冰晶，進而結冰。

△關于水結冰的兩種假說，下方為經典當作核理論（圖片來歷：http://chemepro2.mit.edu/）

可以說，臨界核是否存在的問題阻礙了對天然界中相釀成核這一主要物理現象的進一步理解，甚至引起了對臨界核概念應用于出產實踐的適用性的疑問。

今天，來自中科院化學所、中國科學院大學及河海說神聊工業大學的研究人員在Nature上頒發論文，初次在嘗試上證實了水結冰過程中臨界冰核的存在，并給出了臨界冰核的尺寸和過冷溫度的關系。

解決這個上百年的難題，他們用了什么高精尖的手藝？冷凍電鏡？計較機模擬？都不是，是一把“納米尺子”！

△（圖片來歷：veer圖庫）

科研人員巧妙地設計制備了一系列尺寸確定的納米顆粒，用于探測細小瞬時的臨界冰核。臨界冰核尺寸跟納米顆粒尺寸一致的時辰，經典當作核理論得出的當作核能壘與納米顆粒鴻溝效應導致的能壘半斤八兩，所以可以用納米顆粒做 “尺”去“量”臨界冰核。

科研人員在水中放入分歧尺寸的納米顆粒，然后持續降低溫度，不雅察這些水樣品的結冰環境。當不雅察到水中因為形當作臨界冰核而導致快速結冰的時辰，該水中放入的納米顆粒的尺寸就是臨界冰核的尺寸。這種探測臨界冰核的策略也可以用于其它相釀成核過程的臨界核探測，從而可能改良對整個相釀成核范疇的熟悉。

關于水釀成冰的N大結論

經由過程研究納米顆粒尺寸與其促進冰晶當作核能力的關系，科研人員發現，在某一過冷溫度下，僅當納米顆粒的尺寸大于某個特別值時才能有用地促進冰晶當作核，而較小尺寸的納米顆粒則幾乎不克不及幫忙冰核形當作。

△分歧尺寸納米顆粒的冰當作核溫度（TIN）（圖片來歷：Probing the critical nucleus size for iceformation with graphene oxidenanosheets）

那么這個“當作核尺寸”是怎么確定的呢？經由過程設計制備系列具有冰當作核活性且尺寸可調的氧化石墨烯納米片（GOs），科研人員研究了一系列尺寸窄分布氧化石墨烯納米片的尺寸與其冰當作核能力的關系，發現只有當氧化石墨烯納米片的橫標的目的尺寸（L）大于臨界值200/ΔT nm時，才能有用地促進冰當作核。

進一步研究發現這一紀律具有普適性，對于分歧的測量方式（冰當作核延緩時候或冰當作核溫度）、分歧種類的材料（GOs或硅酸鎂鋰納米片）以及納米片的分歧狀況（固定在基底上或分離在水里），納米片均在不異的LΔT≈ 200 nmK下發生當作核能力的突變。而這一臨界值（200/ΔT nm）與經典當作核理論展望的臨界冰核的直徑相等。

按照分歧測量方式獲得的納米顆粒促進冰晶當作核的能力，下圖a,b獲得了GOs上冰晶當作核自由能壘的轉變趨向，該成果與理論闡發成果一致。此外，作者經由過程理論計較闡發，發現冰當作核自由能壘的突變來歷于臨界冰核外形的轉變（下圖c）。

△冰在GOs當作核自由能壘的突變（圖片來歷：Probing the critical nucleus size for iceformation with graphene oxidenanosheets）

科研人員進一步經由過程理論闡發和嘗試證實，發現納米顆粒尺寸在促進冰當作核能力方面的尺寸閾值現象是遍及的，與過冷溫度簡單當作反比關系，而幾乎不依靠于納米顆粒的種類、布局等特征。

這個簡練清晰的嘗試成果與經典當作核理論關于臨界核和自由能的計較預言完全相符，確定無疑地證實了水結冰過程中臨界冰核的存在以及它的尺寸和過冷溫度的依靠關系。

結冰仍是不結冰，今后我們說了算

低溫下水結冰等相變現象很是遍及，不僅是科學研究的根基問題，同時有主要應用價值。理解冰當作核的微不雅機制以及摸索調控冰當作核的方式一向是本事域內的重點及難點。

△（圖片來歷：veer圖庫）

該研究初次用嘗試證實了臨界冰核的存在，消弭了長久以來的疑慮，加深了對水結冰這一主要相變現象的微不雅機制的理解，也為實現報酬控冰應用供給了主要理論指引：例如調控冰晶形當作和發展以提高細胞組織等冷凍保留的蘇醒效率和食物建造冷藏的保鮮度；設計與臨界冰核尺寸半斤八兩的圖案化概況，高效調控冰晶形當作，為防覆冰涂層的設計供給新思緒。