波兰维斯瓦河变冰河!为何气温过低水会结成冰?
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发布时间：2022-10-29 05:52
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时间：2023-10-09 17:39
因为水结冰的条件是温度低于0℃，水的温度下降到0℃以下就会结冰。
低温水结冰等相变现象非常普遍，这不仅是科学研究的基础问题，而且具有重要的应用价值。理解冰成核的微观机理，探索*冰成核的方法，一直是该领域的重点和难点问题。
这一研究结果发表之前，由于“经典成核理论”是从宏观热力学推导出来的，因此在描述原子尺度的临界核特性时，人们普遍怀疑它是否仍然有效。这次会议的成果，一方面是消除了这种顾虑，一方面是加深了对水结冰这一重要相变现象微观机理的认识，也为实现“人为控冰应用”提供了重要的理论指导。例如，通过调节冰晶的形成和生长，可以提高细胞组织等冷冻保存的复苏效率，以及食品制冷剂的保鲜性；还有，设计出与临界冰核大小相当、能有效调节冰晶形成的图案化表面，可为防覆冰膜的设计提供新思路。
大自然中的物质都有由高到低能量变化的趋势，低温条件下冰的自由能低于水，因此液态水有结冰的趋势。但当水分子聚集成冰时，还必须克服新生成的冰和水的边界面能。具体来说：在过冷水(0℃以下液态水)中，不同尺寸的纳米尺度冰核可能偶然形成。然而，并非所有冰核都能成为宏观冰晶，仅当冰核的大小超过了临界尺寸，即形成了临界冰核时，水才开始结冰。因此，冰层的形成可分为冰核形成和冰层生长两个过程。在这些因素中，形成冰核不仅是冰层形成的开始，而且决定了冰层形成的速度。纯过冷水凝结起来很慢，但如果你把一块冰放进过冷的水中，水会很快凝结起来，这块冰相当于一个巨大的冰核。
科学家用什么尖端技术解决了这个存在了几百年的问题？低温电子显微镜？电脑模拟？不，是“纳米尺”。研究人员巧妙地设计和制备了一系列具有确定尺寸的纳米粒子，以在微小的瞬间检测关键的冰核。当临界冰核尺寸与纳米粒子相同时，“经典成核理论”得到的成核能垒相当于纳米粒子边界效应引起的能垒，因此纳米粒子可以作为标尺来“测量”临界冰核。根据不同测量方法得到的纳米粒子促进冰晶成核的能力，得到了GOs上冰晶成核自由能垒的变化趋势如下图A和B，与理论分析结果一致。此外，通过理论计算和分析，发现冰核自由能垒的突变来源于临界冰芯形状的变化。
研究人员通过理论分析和实验进一步证实，纳米粒子尺寸在促进冰成核能力方面的尺寸阈值现象是普遍存在的，与过冷温度成反比，几乎不依赖于纳米粒子的类型和结构。
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时间：2023-10-09 17:40
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时间：2023-10-09 17:40
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时间：2023-10-09 17:41
