热烈祝贺周昕教授等在《Nature》发表论文揭示水如何结成冰!

2019-12-19 11:17


北京时间12月19日凌晨,英国《Nature》杂志在线刊发中国科学院大学物理学院、温州研究院教授周昕与河北工业大学白国英博士、中国科学院化学所王建君研究员团队合作的论文《Probing the critical nucleus size for ice formation with graphene oxide nanosheets》(《用氧化石墨烯纳米片探测冰形成所需的临界核大小》) ,首次证实了水结冰过程中临界冰核的存在,给出了临界冰核的尺寸和过冷温度的关系,揭秘水结冰发生微观机制。


论文连接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1827-6

水在0摄氏度以下发生结冰,称为相变。水结冰相变是自然界中非常普遍的现象,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。一直是物理学家研究的热点,但水结冰的微观机制百年来仍无定论。

统计物理的创始人之一吉布斯(Gibbs)百年前提出相变的“经典成核理论”,认为水结冰相变需经过一个成核过程:水过冷时可以形成小冰核,但这些小冰核不稳定,尺寸涨落,随长随消。经过长时间等待,某个冰核的尺寸偶然增长到超过一临界值后,该冰核将自发快速长大,水结冰相变发生。此过程中临界尺寸冰核(临界核)的形成是关键。由于临界核尺寸小(几纳米)、寿命短(小于纳秒),并且是偶然的小概率事件,实验上一直没有直接证据证实它的存在以及测量其特征。

《自然》杂志是世界上最早的国际性科技期刊,也是世界上最权威的科学杂志之一,在学术界享有盛誉。自从1869年创刊以来,杂志以报道科学世界中的重大发现、重要突破为使命,要求科研成果新颖。周昕教授是该论文共同通讯作者。他2012年入选中国科学院“百人计划”,今年五月被聘任为国科大温州研究院双聘教授。曾担任美国Los Alamos 国家实验室研究助理;韩国亚太理论物理中心独立研究组负责人,韩国浦项工业大学物理系兼职教授。在Nature 等国际顶尖杂志上发表近70篇研究论文。

周昕 国科大温州研究院双聘教授

"实证获得水结冰微观机制——过冷水先形成纳米尺寸的临界冰核,然后冰核快速增长成宏观冰 。" 周昕介绍说,他们使用纳米颗粒(氧化石墨烯纳米片)作为探针捕获临界核形成信号,通过研究纳米颗粒尺寸与其促进冰晶成核能力的关系,发现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成核发生,而较小尺寸的纳米颗粒则几乎不能帮助冰核形成,所得实试验结果和理论预期、理论计算高度符合,证实在水结冰相变中,经典成核理论的核心概念在纳米尺度有效,与使用的纳米颗粒种类材质等因素无关。

周昕认为,该研究为实现人为控冰应用提供重要理论指引,他特别指出,通过调控冰晶形成和生长可以提高冷冻保存的细胞组织等的复苏效率、也可提升冷藏食品的保鲜度。


关于研究院:

国科大温州研究院自启动后,全力推进高端人才队伍建设,与多名院士达成合作意向,已建成16支科研团队,从哈佛大学、剑桥大学等引进博士后10余人、优秀博士硕士30余人;预计明年将拥有不少于200人的科研人才队伍。

研究院全力攻坚生命健康领域关键技术研发项目,构建融孵化、加速、中试和产业化于一体的全链条式成果转化模式;目前,5项代表性成果已迈入市场化阶段,已引进中国科学院系统重点项目6项,并与温州市相关企业达成多项合作协议。

明年9月,位于温州国家自创区高新区的新大楼建成投入使用后,研究院将全力建设医用生物材料、医用智能装备等四个创新中心,并推进与中科院相关院所合建研发平台及研究中心。


新大楼效果图


建设中的新大楼预计明年9月投用