水冻结无处不在，影响到气候、化学工业、低温生物学和材料科学等多个领域。冰核是水冻结的控制步骤，近一个世纪以来，人们一直认为冰核的形成需要临界冰核的形成。但是，由于其瞬态和纳米尺度性质，还没有直接的实验证据证明存在这样的核。近日，中科院化学所王健君研究员课题组与中国科学院大学周昕教授等人，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、化学性质等特征。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。
Guoying Bai, Dong Gao, Zhang Liu, et al. Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets. Nature, 2019.
DOI: 10.1038/s41586-019-1827-6
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1827-6
