摘要：

過冷水（低于0oC）發生結冰這一常見現象仍有很多未解之謎。水結冰通常被認為分成成核和生長兩個過程：随機漲落形成小冰核，随機漲落小冰核偶然達到臨界尺寸，形成臨界冰核；然後臨界冰核自發快速生長緻全部水結冰。臨界冰核形成是水結冰的關鍵，但因其尺寸小（納米）、壽命短（納秒）而缺乏直接試驗觀測。水結冰成核通常需要基底或雜質表面輔助，使得水能在較低過冷度（較接近0oC）即可結冰，但這些表面的特征與其促進水結冰成核能力間關系目前仍不很清楚，缺乏預期表面結冰能力的理論。純水結冰關系到過冷水本身的特征，一般認為在-40 oC附近發生，更低溫度下液态水因為很快自發結冰而難以被探測，被稱為水研究的“無人區”。近一二十年來一些工作暗示發生在-40 oC附近的水自發結冰可能仍是由水中殘存的雜質或水滴表面誘導導緻，但實驗數據精度不足，至今無明确結論。這裡簡要介紹我們課題組和合作者最近在水結冰成核方面的工作：試驗探測臨界冰核；理論與模拟研究表面分子相互作用與促進結冰成核能力關系；系統實驗及發展高精度數據處理方法澄清純水結冰機制;以及基于冰重結晶動力學的精确控制納米自組裝等應用。

參考文獻：

G Bai, X Zhou*, J Wang*, et al., Probing critical nucleus size of ice formation with oxide graphene nanosheets, Nature, 576, 437 -441 (2019).
H Xue, J Wang*, X Zhou*, et al., Spontaneous Freezing of Water Between 233 K and 235 K Is Not Due To Homogeneous Nucleation, J Amer. Chem. Soc., 143, 13548 - 13556 (2021).
Q Fan, X Zhou*, J Wang*, et al., Precise control over kinetics of molecular assembly for producing particles with tunable sizes and crystalline forms, Angew. Chem. Int. Ed. 59, 15141–15146 (2020)