水结冰是自然界中非常普遍的现象，它不仅潜移默化地影响着地球上的气候、地质及生命，还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用。掌握冰的形成过程将会给生产生活带来极大便利，如细胞和组织的低温冻存，维持疫苗在生产和输运过程中的高活性等。日前，中国科学院化学所研究员王健君、中国科学院大学教授周昕等人在《自然》上发表论文，首次在实验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，符合经典成核理论的预言。这个工作对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等都有重要意义。
王健君介绍，低温下水结冰等相变现象不仅是科学研究的基本问题，同时有重要应用价值。吉布斯(Gibbs)等人近百年前基于热力学原理，提出相变的“经典成核理论”。近年来，随着微观探测技术的发展，研究人员对相变过程的认识越来越深刻，证实了经典成核理论的许多推论，但对成核的核心概念“临界核”的存在性，始终无法给出直接的实验证据，阻碍了对自然界中相变成核这一重要物理现象的进一步理解，甚至引起对宏观推论给出微观层面临界核概念的实用性产生疑问。
“‘临界冰核’被认为是过冷水结冰过程中非常偶然发生的，并且一旦发生瞬间消失或者长大的，不稳定的纳米颗粒。其偶然性(需要等待很长时间才可能发生)、瞬时性(存在寿命纳秒级别)、和微观性(纳米级尺寸)，使得当前已有的微观探测技术都很难成功应用，成为数十年来的研究难点。”王健君说，“我们的研究人员创造性地使用系列固定尺寸的纳米颗粒去探测‘临界冰核’，实验结合理论计算，简洁清晰地得到了‘临界冰核’的尺寸。这项实验研究所得结果与理论计算高度相符，并且结论普适，即和使用纳米颗粒种类材质等因素无关，不仅确定无疑地证实了‘临界冰核’的存在，而且有可能是研究其他相变成核问题的普适方法。”(记者袁于飞)
