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水如何變成冰?中國科學家首次證實百年理論預言



俗話說,“冰凍三尺,非一日之寒”,那麼水究竟是怎麼變成冰的?這個問題看似簡單,上百年來卻沒有人能夠說得清楚。如今,中國科學家在實驗上“再現”了水結冰的過程,揭示了這一過程中“臨界冰核”的存在,證實了經典臨界冰核理論的百年預言。

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12月19日,國際知名學術期刊《自然》在線發表了這一由中國科學院化學研究所王健君、中國科學院大學周昕團隊領銜完成的科研成果。這也是科學界首次在實驗中證實臨界冰核的存在。

該成果論文通訊作者、中國科學院化學研究所研究員王健君告訴中國青年報·中國青年網記者,了解水結冰過程不僅滿足了人們的好奇心,更是有用的知識——作為一個自然界的普遍現象,它不僅影響著地球上的氣候、地質及生命,還在化學工業、低溫生物學、材料科學等領域發揮著至關重要的作用,比如,細胞和組織的低溫凍存、維持疫苗在生產和輸運過程中的高活性、飛機等交通工具的防冰塗層。

根據熱力學原理,水分子在溶液中會不停地進行熱運動,當溫度低於冰點,水分子會趨向進行有序的排列。

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冰核的形成,就是水分子的無序熱運動和水分子有序排列的競爭結果。當形成的冰核大小超過臨界尺寸時,即形成臨界冰核時,水才會開始結冰。

近百年前,科學家吉布斯提出臨界冰核理論,並被寫入教科書。然而,臨界冰核的真實面目卻始終沒人見過。

王健君說,臨界冰核是水和冰相變過程中瞬間存在的過渡態——納秒級別,尺寸非常小——納米級別。

如今,王健君團隊攜手中國科學院大學周昕教授成功探測到臨界冰核。實驗結合理論計算,簡潔清晰地得到了臨界冰核的尺寸。

韓國工程院院士Dong June AHN評價道,該研究在冰成核領域是具有里程碑意義的工作之一。

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