水的凍結(jié)現(xiàn)象無(wú)處不在，并影響著氣候，化學(xué)工業(yè)，低溫生物學(xué)和材料科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。冰的成核是水凍結(jié)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們一直認(rèn)為臨界冰核的形成是這一成核步驟的必要條件。但是，由于這種冰核轉(zhuǎn)瞬即逝和其納米性質(zhì)，因此沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)可以證明這種冰核的存在。在這里，我們報(bào)道了在具有可控尺寸的氧化石墨烯納米片水滴中冰成核現(xiàn)象，并顯示只有在一定的尺寸以上才能對(duì)冰的成核有顯著的影響，該尺寸隨液滴的過(guò)冷程度而變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算推斷，氧化石墨烯的臨界尺寸反映了臨界冰核的大小，在足夠大的氧化石墨烯的情況下，臨界冰核位于其表面，并產(chǎn)生與經(jīng)典成核理論一致的成冰行為。相反地，若氧化石墨烯的尺寸小于臨界冰核尺寸時(shí)，釘扎在氧化石墨烯的外圍會(huì)使冰核隨著其生長(zhǎng)而變形。這為成核作用提供了更高的自由能壘，并抑制了氧化石墨烯的促進(jìn)作用。這些結(jié)果提供了關(guān)于臨界冰核的存在和與溫度有關(guān)的尺寸的實(shí)驗(yàn)信息，而這些以前僅在理論上和通過(guò)模擬進(jìn)行了探索。由于將臨界前核固定在納米顆粒邊緣上并不是石墨烯氧化物上的冰核所特有的，因此我們希望該方法可以擴(kuò)展到探測(cè)其他成核過(guò)程中的臨界核。
Fig. 1 尺寸可控的GOs。
Fig. 2 不同大小和氧化度的GOs的冰核活性。
Fig. 3 納米片冰成核活性的轉(zhuǎn)變。
Fig. 4 GO納米片上冰核化自由能壘的突變。
相關(guān)研究成果于2019年由中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王健君課題組，發(fā)表在Nature (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1827-6)上。原文：Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets
