近日，王健君课题组与中国科学院大学周昕教授等合作，创造性地通过利用尺寸固定的纳米颗粒去探测冰成核与纳米颗粒的尺寸匹配信号，从而探测微小瞬时的临界核的存在和特征。通过研究纳米颗粒尺寸与其促进冰晶成核能力的关系，研究人员发现，仅当纳米颗粒的尺寸大于某个临界值时才能有效地促进冰成核发生，而较小尺寸的纳米颗粒则几乎不能帮助冰核形成。而且纳米颗粒尺寸在促进冰成核能力方面的尺寸阈值现象是普遍的，与过冷温度简单成反比关系，几乎不依赖于纳米颗粒的种类、结构等特征。该实验结果与经典成核理论关于临界核和自由能的计算预言完全相符，首次在实验上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赖关系。该项课题研究有效澄清了近几十年来关于“经典成核理论”在描述原子尺度的临界核特征的有效性方面的普遍疑虑，加深了对水结冰这一重要相变现象的微观机制的理解。该工作对水结冰机理、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。同时这种探测临界冰核的策略也可以用于其它相变成核过程的临界核探测，从而可能改进对整个相变成核领域的认识。此外，该研究结果表明：设计与临界冰核尺寸相当的图案化表面，可以达到高效调控冰晶形成的目的，为防覆冰涂层的设计提供了新思路。相关研究工作发表在近期的自然杂志上（Nature, 576, 437-441(2019)），通讯作者为王健君研究员和周昕教授，第一作者为白国英博士。
图1. a, 不同纳米片冰成核能力的突变; b, 氧化石墨烯表面冰成核自由能垒的突变，插图展示了纳米片尺寸小于或大于临界冰核直径时临界冰核形状的示意图。当纳米片尺寸小于临界冰核时，冰核生长受限于纳米片边缘，导致冰核形状改变，从而使成核自由能垒急剧增大。
绿色印刷院重点实验室
2019年12月19日
