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中国科学家首次通过实验证实临界冰核的存在

2020-01-12 点击:1564

中国科学家首次证实了临界冰核的存在。相变,例如自然界中的水冻结,是非常常见的。19日,《自然》发表了一项关于自然界反相核现象的研究成果。中国科学院化学研究所和国家科技大学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大小与过冷温度之间的关系。这一结果与经典成核理论的预测高度一致。

基于热力学原理,美国物理化学家吉布斯等人100多年前提出的相变“经典成核理论”认为水结冰等相变需要成核过程。例如,水过冷形成小冰核。只有当形成的冰核意外超过临界尺寸并形成临界核时,相变才能自发发生。然而,100年来,科学家们一直无法证实临界核的存在。

临界冰核有可能需要很长时间才能出现,其寿命不到纳秒的瞬时性,以及纳米尺度的微观性质,使得现有的微观检测技术难以捕捉到它。几十年来,这也成了一个研究难题。该研究团队创造性地使用氧化石墨烯纳米片等固定尺寸的纳米粒子来检测临界冰芯,通过实验和理论计算简洁明了地获得了临界冰芯的尺寸。这项实验研究的结果与理论计算高度一致,与纳米粒子的类型和材料等因素无关。这一结论具有普遍性,不仅证实了临界冰核的存在,而且可以成为研究其他相核问题的常用方法。”中国科学院化学研究所研究员王建军说。

王建军说,这项研究从理论上加深了对水结冰机理、相变现象,甚至统计物理中宏观和微观关系的理解。同时,在低温冷冻细胞和组织,保持疫苗在生产和运输过程中的高活性,以及飞机等运输工具上的防冰涂层方面具有重要的应用价值。

[编辑:袁青]

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