艾莎公主是怎么“点水成冰”的？这篇Nature文章会给你答案( 二 ) _小知识

今天，来自中科院化学所、中国科学院大学及河海说神聊工业大学的研究人员在Nature上颁发论文，初次在尝试上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尺寸和过冷温度的关系。
解决这个上百年的难题，他们用了什么高精尖的手艺？冷冻电镜？计较机模拟？都不是，是一把“纳米尺子”！

文章插图

△（图片来历：veer图库）
科研人员巧妙地设计制备了一系列尺寸确定的纳米颗粒，用于探测细小瞬时的临界冰核。临界冰核尺寸跟纳米颗粒尺寸一致的时辰，经典当作核理论得出的当作核能垒与纳米颗粒鸿沟效应导致的能垒半斤八两，所以可以用纳米颗粒做 “尺”去“量”临界冰核。

科研人员在水中放入分歧尺寸的纳米颗粒，然后持续降低温度，不雅察这些水样品的结冰环境。当不雅察到水中因为形当作临界冰核而导致快速结冰的时辰，该水中放入的纳米颗粒的尺寸就是临界冰核的尺寸。这种探测临界冰核的策略也可以用于其它相酿成核过程的临界核探测，从而可能改良对整个相酿成核范畴的熟悉。
关于水酿成冰的N大结论
经由过程研究纳米颗粒尺寸与其促进冰晶当作核能力的关系，科研人员发现，在某一过冷温度下，仅当纳米颗粒的尺寸大于某个特别值时才能有用地促进冰晶当作核，而较小尺寸的纳米颗粒则几乎不克不及帮忙冰核形当作。

文章插图

△分歧尺寸纳米颗粒的冰当作核温度（TIN）（图片来历：Probing the critical nucleus size for iceformation with graphene oxidenanosheets）
那么这个“当作核尺寸”是怎么确定的呢？经由过程设计制备系列具有冰当作核活性且尺寸可调的氧化石墨烯纳米片（GOs），科研人员研究了一系列尺寸窄分布氧化石墨烯纳米片的尺寸与其冰当作核能力的关系，发现只有当氧化石墨烯纳米片的横标的目的尺寸（L）大于临界值200/ΔT nm时，才能有用地促进冰当作核。
进一步研究发现这一纪律具有普适性，对于分歧的测量方式（冰当作核延缓时候或冰当作核温度）、分歧种类的材料（GOs或硅酸镁锂纳米片）以及纳米片的分歧状况（固定在基底上或分离在水里），纳米片均在不异的LΔT≈ 200 nmK下发生当作核能力的突变。而这一临界值（200/ΔT nm）与经典当作核理论展望的临界冰核的直径相等。
按照分歧测量方式获得的纳米颗粒促进冰晶当作核的能力，下图a,b获得了GOs上冰晶当作核自由能垒的转变趋向，该成果与理论阐发成果一致。此外，作者经由过程理论计较阐发，发现冰当作核自由能垒的突变来历于临界冰核外形的转变（下图c）。

文章插图

△冰在GOs当作核自由能垒的突变（图片来历：Probing the critical nucleus size for iceformation with graphene oxidenanosheets）
科研人员进一步经由过程理论阐发和尝试证实，发现纳米颗粒尺寸在促进冰当作核能力方面的尺寸阈值现象是遍及的，与过冷温度简单当作反比关系，而几乎不依靠于纳米颗粒的种类、布局等特征。

这个简练清晰的尝试成果与经典当作核理论关于临界核和自由能的计较预言完全相符，确定无疑地证实了水结冰过程中临界冰核的存在以及它的尺寸和过冷温度的依靠关系。
结冰仍是不结冰，今后我们说了算
低温下水结冰等相变现象很是遍及，不仅是科学研究的根基问题，同时有主要应用价值。理解冰当作核的微不雅机制以及摸索调控冰当作核的方式一向是本事域内的重点及难点。