博马集团网站|中国科学家首次证实“临界冰核”存在 网友:这个够诺贝尔奖级别吗?

  • 发布:2020-01-09 14:47:49
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博马集团网站|中国科学家首次证实“临界冰核”存在 网友:这个够诺贝尔奖级别吗?

博马集团网站,中国科学家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,从而证实了“经典成核理论”的预言。研究成果19日在国际知名学术期刊《自然》在线发表。

冰花 新华社/美联

低温下水结冰的现象再常见不过,但微观层面上“水变冰”的具体过程却不为人所知。近百年前,科学家吉布斯等人基于热力学原理,提出相变的“经典成核理论”,认为如水结冰这类相变需经过一个成核过程,水过冷形成小冰核,仅当形成的冰核偶然超过临界尺寸(即“临界冰核”)时,相变才能自发发生。

然而,由于“临界冰核”的偶然性、瞬时性(纳秒级别)和微观性(纳米级别),给微观探测带来极大难度。数十年来,微观探测技术的发展使得“经典成核理论”的许多推论得到证实,但对成核理论的核心概念“临界核”的存在性,研究人员始终无法给出直接的实验证据。

此次,中科院化学所王健君、中国科学院大学周昕团队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。

“本实验可以理解为用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子,去度量‘临界冰核’:持续降低温度以使冰核达到临界所需尺寸,当这个尺寸恰好与纳米颗粒尺寸相当时,‘临界冰核’容易形成,并导致宏观冰晶快速发生从而可被探测。”王健君说。

据介绍,该项课题研究加深了对水结冰这一重要相变现象的微观机制的理解,也为实现人为控冰应用提供了重要理论指引,例如调控冰晶形成和生长、提高细胞组织等冷冻保存的复苏效率、提高食品制作冷藏的保鲜度等,将在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥至关重要的作用。

进一步研究表明,该课题研究结论具有普适性,可成为研究其他相变成核问题的普适方法。

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延伸阅读

冰核

冻结核和凝华核总称为冰核,冰晶本身就是冰核。冰核不要求能溶解于水,但要求其分子结构与冰晶类似,便于水分子在核面上按一定的规则排列成为冰晶。水汽能在冰晶表面上直接凝华,使冰晶不断增大,过冷却水滴与冰晶接触一般也会立刻冻结,所以冰晶本身就是冰核。

冰核是指大气中可以引起水蒸汽发生凝华或过冷水滴发生冻结而形成冰晶的固体粒子。20世纪初,有人认为云中出现冰晶可能需要有一种能导致小水滴冻结或水汽可以在其上直接凝华的核,这是大气冰核的雏形团。真正对大气冰核进行广泛的研究是从20世纪50年代开始,我国对大气冰核的研究始于60年代。

大冰核在自然界中通过凝华、凝结一冻结、浸没、接触冻结4种活化方式形成冰晶川,在冷云降水中起着激发过冷水向冰晶转化的作用。在中纬度地区,云中负温区存在冰晶,而且这些冰晶有条件进一步增长是形成降水必不可少的条件。因此,对大气冰核的观测分析,是研究自然冷云降水和人工影响冷云降水的基础性工作。1991年在国际气溶胶和云的相互作用会议上,专家们再次强调了冰相过程在大气中的作用和冰核观测的重要性,并认为大气冰核除可能影响降水过程外,还可能通过影响云微物理结构而影响大气的辐射过程。近年有研究指出,大气冰核浓度的增加导致冷云反照率增大,从而可能导致气候变冷,表明冰核浓度的变化在全球气候变化中可能发挥着重要作用叫。因此,对大气冰核的观测分析一直受到科学家的高度重视。

来源 北晚新视觉网综合 新华网 @科技日报 @中国青年报 百度百科

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