水变冰的过程一直难以被观察，临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态（纳秒级别），尺寸非常小（纳米级别）；下面电百科就来介绍下临界冰核证实是怎么回事？水变冰的纳米级变化及水变冰过程的纳秒级瞬间和纳米级尺寸首次被证实。
一、临界冰核证实是怎么回事？
据悉国际知名学术期刊《自然》（Nature）在线发表了这一由中国科学院化学研究所王健君、中国科学院大学周昕团队领衔完成的科研成果。这也是科学界首次在实验上证实“临界冰核”的存在。
该成果论文通讯作者、中国科学院化学研究所研究员王健君介绍，了解水结冰过程不仅满足了人们的好奇心，更是有用的知识——作为一个自然界的普遍现象，它不仅影响着地球上的气候、地质及生命，还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用，比如，细胞和组织的低温冻存、维持疫苗在生产和输运过程中的高活性以及飞机等交通工具的防冰涂层。
根据热力学原理，水分子在溶液中会不停地进行热运动；当温度低于冰点，水分子会趋向进行有序的排列。冰核的形成，就是水分子的无序热运动和水分子有序排列的竞争结果。当然，并非所有的冰核都能变成宏观的冰晶，仅仅当形成的冰核大小超过临界尺寸时，即形成“临界冰核”时，水才会开始结冰。
二、水变冰过程的纳秒级瞬间和纳米级尺寸首次被证实
近百年前，科学家吉布斯提出“临界冰核”这一理论，并被写入了教科书。然而，“临界冰核”的真实面目却始终没人见过，人类对“水”和“冰核”之间的转变更是知之甚少。
“毕竟太难观察到了，科研人员一直无法给出存在临界核的直接实验证据。”王健君说，临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态——纳秒级别，尺寸非常小——纳米级别，在这些难题面前，人类的微观探测技术“相形见绌”。所以也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。
如今，王健君团队携手中国科学院大学的周昕教授成功探测到“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。而破解这个百年难题的工具，并非冷冻电镜，也不是计算机模拟，而是一把“纳米尺子”。
王健君告诉记者，这次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。
2010年，王健君锁定自己的研究领域。“水是怎么变成冰的，这个听起来很简单的问题，其实蕴含了深奥的科学道理。”他告诉《中国科学报》。
事实上，了解水结冰过程不仅满足了人们的好奇心，更是有用的知识——作为一个自然界的普遍现象，它不仅潜移默化地影响着地球上的气候、地质及生命，还在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥着至关重要的作用。
“还和冰淇淋的口感有关系，实验发现，冰淇淋口味要好，冰晶尺寸大概维持在头发丝的一半，大约40微米左右。”王健君说。
“尽管冰晶普遍存在，但是在分子层面，人类依旧无法真实了解水分子以何种形态相互结合形成‘冰核’进而生长成大冰晶的过程。”德国马克斯·普朗克高分子研究所（美因茨）所长Mischa Bonn指出，“其中的核心问题在于，水分子如何形成‘冰核’的微观过程，即冰晶成核过程。”
长期致力于水结冰过程研究的王健君发现，想通过直接观察“逮住”临界冰核并不是那么容易。
“这个过程发生在一个随机的瞬间，尺寸又非常小，现有的仪器难以同时观察到时间、空间尺度这么小的一个随机事件。”王健君表示，“那么只能考虑间接的方法。”
生存在中国北方寒冷地区的一种昆虫冬尺蠖给了他们启示。研究人员发现，能在低温下生存的冬尺蠖携带一种“抗冻蛋白”，能够抑制体内冰晶生长。而另一种作用相反的蛋白“冰晶核蛋白”却可以高效地促进冰核形成，目前已经被用来当作人工造雪剂。
研究人员发现，它们结构相似，唯一的不同就是尺寸。“抗冻蛋白尺寸约在1~2纳米左右，冰晶核蛋白在几十个纳米级。”王健君说。他们由此确定，“尺寸”是决定冰核能不能形成的重要因素。
三、小颗粒发挥大作用
在定性认识的基础上，定量关系的测定成为接下来的目标——多大尺寸、在什么温度下影响成核过程，成为研究团队探索的科学问题。
他们设计制备了系列尺寸和化学性质窄分布的氧化石纳米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯对成核温度的影响。
观察中，研究人员发现，含有8纳米尺寸氧化石墨烯的水滴，在摄氏零下27.6度时结冰；含有11纳米氧化石墨烯的水滴，在摄氏零下17.6度就开始结冰。最终，他们从一系列的数据中获得定量关系，当成核温度和纳米氧化石墨烯尺寸的乘积等于200时，水结冰。
也就是说，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，与过冷温度成反比关系，而几乎不依赖于纳米颗粒的种类、表面化学性质等特征。
此外，研究人员还通过理论计算分析，发现冰成核自由能垒的突变来源于纳米片边界效应导致的临界冰核形状的变化。
“实验可以理解为用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子，去度量常规办法不能捕捉到的微小瞬时的临界冰核：持续降低温度可使冰核达到临界尺寸，当这个尺寸恰好与纳米颗粒的尺寸相当时，临界冰核容易形成，并导致宏观冰晶快速形成可被光学显微镜探测到。”论文另一位通讯作者、中国科学院大学教授周昕解释道。
“这是一个令人振奋的重大发现。”德国马克斯-普朗克高分子研究所所长Mischa Bonn表示，这是一个很有意义的工作，通过实验结果直接证明了临界冰核的存在，也揭示了形成临界冰核所必需的水分子数量。韩国工程院院士Dong June AHN则评价道：该研究在冰成核领域是一个具有里程碑意义的工作之一。
四、水变冰后体积如何变化？
在水结成冰时，水分子的运动不能破坏氢键，氢键起主要作用，它把水分子结起来形成有规则的空间结构结构，在一个晶格中，四个氢原子在正四面体的顶点上，一个氧原子位于四面体的中心．这样，使分子间的空隙变大且保持一定，因此水结成冰时体积变大。而在水中分子运动既能破坏水分子之间的氢键束缚而又不使分子作剧烈运动导致分子间频繁碰撞，各分子间可发生相对滑动而相互交错，这样就会互相填补空隙~因而体积变大。更多关于水变冰过程问题请关注电百科，盗载必究。