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中国科学家首次证实“临界冰核”存在

时间:2020-02-13 21:52:50 出处:大发百人牛牛

  新华社北京12月19日电(记者张泉、董瑞丰)中国科学家首次在实验上证实了水结冰过程中“临界冰核”的所处,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。

  低温下水结冰的问題图片再常见不过,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”,认为如水结冰类似相变需经过三个 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(即“临界冰核”)时,相变能不能自发所处。

  然而,肯能“临界冰核”的偶然性、瞬时性(纳秒级别)和微观性(纳米级别),给微观探测带来极大难度。数十年来,微观探测技术的发展使得“经典成核理论”的一点推论得到证实,但对成核理论的核心概念“临界核”的所处性,研究人员始终无法给出直接的实验证据。

  此次,中科院化学所王健君、中国科学院大学周昕团队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。

  “本实验能不能理解为用尺寸选用的纳米颗粒作为尺子,去度量‘临界冰核’:持续降低温度以使冰核达到临界所需尺寸,当这个尺寸恰好与纳米颗粒尺寸相当时,‘临界冰核’容易形成,并由于分析宏观冰晶快速所处从而可被探测。”王健君说。

  据介绍,该项课题研究加深了对水结冰这个重要相变问題图片的微观机制的理解,也为实现人为控冰应用提供了重要理论指引,类似调控冰晶形成生和熟长、提高细胞组织等冷冻保存的复苏传输时延、提高食品制作冷藏的保鲜度等,将在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥至关重要的作用。

  进一步研究表明,该课题研究结论具有普适性,可成为研究一点相变成核问題图片的普适办法。

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