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水会结冰，这是再普遍不过的自然现象。然而科学家在观察这种现象时，不由会思考一个很难回答的科学问题，水是怎么变成冰的呢？
自然界的物质在条件成熟的情况下，会自发地从一种状态变为另一种状态。例如，水在低温下会凝结成冰，这种现象的科学定义称为“相变”。近100年以前，美国物理学家吉布斯等人，提出了一种“经典成核理论”来解释“相变”现象。这一理论预言，或许水在变成冰的过程中，需要经历一个关键的时刻，就是“临界冰核”。然而，“临界冰核”到底是什么样的，近100年来没有人见到过。
中科院化学研究所的研究员王健君，从2010年起，花了近10年的时间来研究“水是怎么变成冰的”这个问题。近日，包括王健君研究员在内的、来自中国科学院化学研究所、中国科学院大学及河北工业大学的研究人员在国际顶级学术期刊《自然》上公开了他们的实验结果，不仅验证了“临界冰核”确实是水结冰过程的关键时刻，还发现临界冰核的尺寸与过冷温度之间成反比关系。
质量纯净的水，在温度达到零度时仍然难以结冰，这种现象称为“过冷”，这时的水温低于零度，水变成了“过冷水”。“过冷水”艰难地维持着液态，但是极不稳定，结冰的过程一触即发。因此，有时人们会观察到，水瓶中的水前一秒还是透明的液体，轻轻一晃马上就变成坚硬的冰疙瘩。
“过冷水”结冰看似很快，其实并不是一蹴而就的。在水温降低到零度以下之后，虽然没有马上结冰，但是水中已经开始形成一些眼睛看不见的微小的冰核。当形成的冰核达到一个临界尺寸时，就称为“临界冰核”。这一过程正是印证了量变引起质变的哲学道理。
想直接观察“临界冰核”很不容易，因为冰核的尺寸很小，往往只有几个纳米，而水的体积相对来说很大。冰核出现的时间和位置都有很大的随机性，所以很难捕捉到这个瞬间。
研究人员想了一个巧妙的办法，他们利用已知大小的纳米材料（氧化石墨烯）作为“尺子”，来度量冰核的大小。他们缓慢地降低水温，过冷水中的冰核逐渐长大，成为“临界冰核”，当水中的纳米材料与临界冰核的尺寸相当时，就会快速长出大块冰晶，并被光学显微镜捕捉到这一瞬间。
纳米氧化石墨烯“尺子”
研究结果表明，“临界冰核”的尺寸约为10纳米。这种大小的冰核，很容易在一瞬间聚集成冰晶结构，并迅速长出大块冰晶。
参考资料：Bai, G., Gao, D., Liu, Z. et al. Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets. Nature 576, 437-441 (2019)
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