艾莎公主是怎么“点水成冰”的？这篇Nature文章会给你答案 _小知识

问：水是怎么酿成冰的？

答：冻的呗！
很好！可是光有低温就够了么？俗话说：“冰冻三尺，非一日之寒” 。可是，在影片《冰雪奇缘》里，为什么艾莎公本家儿一触碰着水，水就立即酿成了冰？

文章插图

（图片来历：片子《冰雪奇缘》截图）
水事实是若何冻当作冰的？在这个过程中到底发生了什么？这个问题看似简单，上百年来却没有人可以或许说得清晰。
不外，今天，一篇Nature的文章可觉得我们解开这个谜团：Probing the critical nucleus size for iceformation with graphene oxidenanosheets 。论文的通信作者是中国科学院化学研究所的王健君研究员和中国科学院大学的周昕传授，第一作者是河海说神聊工业大学的白国英。

文章插图

结冰，还需要一种“核”？
天然界的物质都有从高能量标的目的低能量转变的趋向，低温前提下冰比水的自由能更低，所以液态水有结当作冰块的趋向。可是在水分子团聚当作冰的过程中，同时也必需降服新发生的冰与水的界面能。
如下图所示，黑线就是水酿成冰的必经之路：水酿成冰的能量转变过程不是一路标的目的下，而是需要先越过具有必然高度的能垒障碍，才能在结冰的道路上一去不回头。

文章插图

△水酿成冰需要降服能垒（图片来历：http://pruffle.mit.edu/~ccarter/3.21/Lecture_24/）
水是怎么爬上能量山坡的？需要形当作“临界核” 。
一百多年前，美国物理化学家吉布斯等人提出了 “经典当作核理论”：认为水结冰这类相变需要颠末当作核过程。具体地说：过冷水（0℃以下的液态水）中可以偶尔形当作分歧大小的纳米标准的冰核。不外，不是所有的冰核都能酿成宏不雅的冰晶，仅仅当形当作的冰核大小跨越临界尺寸时，即形当作临界冰核时，水才会起头结冰。
【艾莎公主是怎么“点水成冰”的？这篇Nature文章会给你答案】所以，冰的形当作可以被分为形当作冰核及发展两个过程。此中，生当作冰核不单是冰形当作的肇端，还决议着结冰的速度。纯净的过冷水要结冰长短常迟缓的，可是若是您把一块冰放入过冷水中，水就会敏捷结冰，这块冰就半斤八两于庞大的冰核（如下图）。

文章插图

△您也可以拥有艾莎的力量~（动图来历：知乎）
一把“尺子” 抓住转瞬即逝的临界冰核
固然“经典当作核理论”被写入了教科书，可是，近几十年的研究发现相变过程可能纷歧定需要颠末临界核阶段，有人甚至起头质疑“临界核”的存在。
更为棘手的是，此前科研人员一向无法给出存在临界核的直接尝试证据。临界冰核是水-冰相变过程中刹时存在（纳秒级别）的过渡态，并且尺寸很是小（纳米级别），难以探测到。所以也有科学家认为水结冰的过程底子不存在临界核，只要水分子形当作无序的团簇，再重构后就可形当作大的冰晶，进而结冰。