水變冰的原理，《自然》：“臨界冰核”

水會結冰，這是再普遍不過的自然現象。然而科學家在觀察這種現象時，不由會思考一個很難回答的科學問題，水是怎麼變成冰的呢？

自然界的物質在條件成熟的情況下，會自發地從一種狀態變為另一種狀態。例如，水在低溫下會凝結成冰，這種現象的科學定義稱為“相變”。近100年以前，美國物理學家吉布斯等人，提出了一種“經典成核理論”來解釋“相變”現象。這一理論預言，或許水在變成冰的過程中，需要經歷一個關鍵的時刻，就是“臨界冰核”。然而，“臨界冰核”到底是什麼樣的，近100年來沒有人見到過。

中科院化學研究所的研究員王健君，從2010年起，花了近10年的時間來研究“水是怎麼變成冰的”這個問題。近日，包括王健君研究員在內的、來自中國科學院化學研究所、中國科學院大學及河北工業大學的研究人員在國際頂級學術期刊《自然》上公開了他們的實驗結果，不僅驗證了“臨界冰核”確實是水結冰過程的關鍵時刻，還發現臨界冰核的尺寸與過冷溫度之間成反比關係。

質量純淨的水，在溫度達到零度時仍然難以結冰，這種現象稱為“過冷”，這時的水溫低於零度，水變成了“過冷水”。“過冷水”艱難地維持著液態，但是極不穩定，結冰的過程一觸即發。因此，有時人們會觀察到，水瓶中的水前一秒還是透明的液體，輕輕一晃馬上就變成堅硬的冰疙瘩。

“過冷水”結冰看似很快，其實並不是一蹴而就的。在水溫降低到零度以下之後，雖然沒有馬上結冰，但是水中已經開始形成一些眼睛看不見的微小的冰核。當形成的冰核達到一個臨界尺寸時，就稱為“臨界冰核”。這一過程正是印證了量變引起質變的哲學道理。

想直接觀察“臨界冰核”很不容易，因為冰核的尺寸很小，往往只有幾個奈米，而水的體積相對來說很大。

冰核出現的時間和位置都有很大的隨機性，所以很難捕捉到這個瞬間。

研究人員想了一個巧妙的辦法，他們利用已知大小的奈米材料（氧化石墨烯）作為“尺子”，來度量冰核的大小。他們緩慢地降低水溫，過冷水中的冰核逐漸長大，成為“臨界冰核”，當水中的奈米材料與臨界冰核的尺寸相當時，就會快速長出大塊冰晶，並被光學顯微鏡捕捉到這一瞬間。

奈米氧化石墨烯“尺子”

研究結果表明，

“臨界冰核”的尺寸約為10奈米。

這種大小的冰核，很容易在一瞬間聚整合冰晶結構，並迅速長出大塊冰晶。

參考資料：

Bai， G。， Gao， D。， Liu， Z。 et al。 Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets。 Nature 576， 437-441 （2019）