更新：根据大家的反馈，补充了实验部分的内容，放在最后一个部分啦

很多人说了，除了低温，还需要“核”。

但其实，虽然“经典成核理论”被写入了教科书，近几十年的研究却发现，相变过程可能不一定需要经过临界核阶段，有人甚至开始质疑“临界核”的存在。

更为棘手的是，科研人员一直无法给出存在临界核的直接实验证据。

一句话，就是科研人员长期处于“我们认为应该有个临界核但是我没有实验证据”这样的状态。

原因有两个，临界冰核是水-冰相变过程中瞬间存在（纳秒级别）的过渡态，而且尺寸非常小（纳米级别），因此很难很难被探测到。

所以才会有科学家认为，水结冰的过程根本不存在临界核，只要水分子形成无序的团簇，再重构后就可形成大的冰晶，进而结冰。

解决这个存在了上百年的难题，科学家们用了什么高精尖的技术？冷冻电镜？计算机模拟？都不是，是一把“纳米尺子”。

科研人员巧妙地设计制备了一系列尺寸确定的纳米颗粒，用于探测微小瞬时的临界冰核。临界冰核尺寸跟纳米颗粒尺寸一致的时候，“经典成核理论”得出的成核能垒与纳米颗粒边界效应导致的能垒相当，所以可以用纳米颗粒做 “尺”去“量”临界冰核。

科研人员在水中放入不同尺寸的纳米颗粒，然后持续降低温度，观察这些水样品的结冰情况。当观察到水中由于形成临界冰核而导致快速结冰的时候，该水中放入的纳米颗粒的尺寸就是临界冰核的尺寸。

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。

通过研究纳米颗粒尺寸与其促进冰晶成核能力的关系，科研人员发现，在某一过冷温度下，仅当纳米颗粒的尺寸大于某个特殊值时才能有效地促进冰晶成核，而较小尺寸的纳米颗粒则几乎不能帮助冰核形成。

那么这个“成核尺寸”是怎么确定的呢？

通过设计制备系列具有冰成核活性且尺寸可调的氧化石墨烯纳米片（GOs），科研人员研究了一系列尺寸窄分布氧化石墨烯纳米片的尺寸与其冰成核能力的关系，发现只有当氧化石墨烯纳米片的横向尺寸（L）大于临界值200/ΔT nm时，才能有效地促进冰成核。

进一步研究发现这一规律具有普适性，对于不同的测量方法（冰成核延缓时间或冰成核温度）、不同种类的材料（GOs或硅酸镁锂纳米片）以及纳米片的不同状态（固定在基底上或分散在水里），纳米片均在相同的 LΔT ≈ 200 nmK下发生成核能力的突变。而这一临界值（200/ΔT nm）与经典成核理论预测的临界冰核的直径相等。

根据不同测量方法得到的纳米颗粒促进冰晶成核的能力，下图a,b得到了GOs上冰晶成核自由能垒的变化趋势，该结果与理论分析结果一致。此外，作者通过理论计算分析，发现冰成核自由能垒的突变来源于临界冰核形状的变化（下图c）。

科研人员进一步通过理论分析和实验证实，发现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，而几乎不依赖于纳米颗粒的种类、结构等特征。

（本文发于知乎时有改动）

审核：王健君（中科院化学所研究员）

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