水如何變成冰?中國科學家首次證實百年理論預言

2019-12-23 07:51:00來源:中國青年報

  俗話説,“冰凍三尺,非一日之寒”,那麼水究竟是怎麼變成冰的?這個問題看似簡單,上百年來卻沒有人能夠説得清楚。如今,中國科學家在實驗上“再現”了水結冰的過程,揭示了這一過程中“臨界冰核”的存在,證實了經典臨界冰核理論的百年預言。

  12月19日,國際知名學術期刊《自然》在線發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銜完成的科研成果。這也是科學界首次在實驗中證實臨界冰核的存在。

  該成果論文通訊作者、中國科學院化學研究所研究員王健君告訴中國青年報中國青年網記者,了解水結冰過程不僅滿足了人們的好奇心,更是有用的知識——作為一個自然界的普遍現象,它不僅影響著地球上的氣候、地質及生命,還在化學工業、低溫生物學、材料科學等領域發揮著至關重要的作用,比如,細胞和組織的低溫凍存、維持疫苗在生産和輸運過程中的高活性、飛機等交通工具的防冰涂層。

  根據熱力學原理,水分子在溶液中會不停地進行熱運動,當溫度低於冰點,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果。當形成的冰核大小超過臨界尺寸時,即形成臨界冰核時,水才會開始結冰。

  近百年前,科學家吉布斯提出臨界冰核理論,並被寫入教科書。然而,臨界冰核的真實面目卻始終沒人見過。

  王健君説,臨界冰核是水和冰相變過程中瞬間存在的過渡態——納秒級別,尺寸非常小——納米級別。

  如今,王健君團隊攜手中國科學院大學周昕教授成功探測到臨界冰核。實驗結合理論計算,簡潔清晰地得到了臨界冰核的尺寸。

  韓國工程院院士Dong June AHN評價道,該研究在冰成核領域是具有里程碑意義的工作之一。(記者 邱晨輝)

編輯:魏倩

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