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中国科学家首次证实“水变冰”百年理论预言

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2019-12-23 10:57 中国青年报

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  俗话说,“冰冻三尺,非一日之寒”,那么水究竟是怎么变成冰的?这个问题看似简单,上百年来却没有人能够说得清楚。如今,中国科学家在实验上“再现”了水结冰的过程,揭示了这一过程中“临界冰核”的存在,证实了经典临界冰核理论的百年预言。

  12月19日,国际知名学术期刊《自然》在线发表了这一由中国科学院化学研究所王健君、中国科学院大学周昕团队领衔完成的科研成果。这也是科学界首次在实验中证实临界冰核的存在。

  该成果论文通讯作者、中国科学院化学研究所研究员王健君告诉中国青年报·中国青年网记者,了解水结冰过程不仅满足了人们的好奇心,更是有用的知识——作为一个自然界的普遍现象,它不仅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,比如,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、飞机等交通工具的防冰涂层。

  根据热力学原理,水分子在溶液中会不停地进行热运动,当温度低于冰点,水分子会趋向进行有序的排列。

  冰核的形成,就是水分子的无序热运动和水分子有序排列的竞争结果。当形成的冰核大小超过临界尺寸时,即形成临界冰核时,水才会开始结冰。

  近百年前,科学家吉布斯提出临界冰核理论,并被写入教科书。然而,临界冰核的真实面目却始终没人见过。

  王健君说,临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态——纳秒级别,尺寸非常小——纳米级别。

  如今,王健君团队携手中国科学院大学周昕教授成功探测到临界冰核。实验结合理论计算,简洁清晰地得到了临界冰核的尺寸。

  韩国工程院院士Dong June AHN评价道,该研究在冰成核领域是具有里程碑意义的工作之一。(记者 邱晨辉)

 
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