最近，中國科學(xué)院化學(xué)研究所王健君課題組與中國科學(xué)院大學(xué)教授周昕等合作，創(chuàng)造性地經(jīng)過利用尺寸固定的納米顆粒去探測冰成核與納米顆粒的尺寸匹配信號(hào)，因而探測微小瞬間的臨界核的存在和特征。經(jīng)過研究納米顆粒尺寸與其加快冰晶成核能力的關(guān)系，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅當(dāng)納米顆粒的尺寸大于某個(gè)臨界值時(shí)才可以有效加快冰成核發(fā)生，而較小尺寸的納米顆粒則幾乎不能幫助冰核構(gòu)成。并且納米顆粒尺寸在加快冰成核能力方面的尺寸閾值現(xiàn)象是普遍的，與過冷溫度簡單成反比關(guān)系，幾乎不依賴于納米顆粒的類別、結(jié)構(gòu)等特征。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典成核理論關(guān)于臨界核和自由能的計(jì)算預(yù)言完全吻合，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了水上凍過程中臨界冰核的存在以及它的尺寸和過冷溫度的依賴關(guān)系。

  低溫下水上凍等相變現(xiàn)象十分普遍，是科學(xué)研究的基本問題，同時(shí)在化學(xué)工業(yè)、低溫生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有關(guān)鍵性的運(yùn)用價(jià)值。吉布斯（Gibbs）等人近百年前基于熱力學(xué)原理，提出相變的“經(jīng)典成核理論”，認(rèn)為如水上凍此類相變需經(jīng)過一個(gè)成核過程。比如，水過冷構(gòu)成小冰核，僅當(dāng)構(gòu)成的冰核偶然超過臨界尺寸，即構(gòu)成臨界核時(shí)，相變才能自發(fā)發(fā)生。

  近數(shù)十年來，隨著微觀探測技術(shù)的發(fā)展，證實(shí)了經(jīng)典成核理論的比較多推論，但也發(fā)現(xiàn)了一些超過其預(yù)期的結(jié)果。特別是對成核的核心概念――臨界核的存在性，一直無法給出直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，因此阻止了對自然界中相變成核這一重要物理現(xiàn)象的持續(xù)理解，甚至引起對宏觀推論給出微觀方面臨界核概念的實(shí)用價(jià)值也有疑問。具體到水上凍相變，歸因于水分子的特殊復(fù)雜性以及與我們生活密切相關(guān)，人們對探測臨界冰核亦是期盼已久，但經(jīng)比較多努力卻不可以給出清晰結(jié)果，成為這個(gè)領(lǐng)域一個(gè)懸而未決的基本問題。

  該項(xiàng)課題研究有效澄清了近幾十年來關(guān)于“經(jīng)典成核理論”在描述原子尺度的臨界核特征的有效性方面的普遍顧慮，加深了對水上凍這一重要相變現(xiàn)象的微觀機(jī)制的理解。該工作對水上凍機(jī)理、相變現(xiàn)象乃至統(tǒng)計(jì)物理中宏觀和微觀關(guān)系等都有重大意義。同時(shí)這種探測臨界冰核的策略也可用于其它相變成核過程的臨界核探測，因而可能改進(jìn)對整個(gè)相變成核領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。另外，該研究結(jié)果證明：設(shè)計(jì)與臨界冰核尺寸相當(dāng)?shù)膱D案化表面，能達(dá)到高效調(diào)控冰晶構(gòu)成的目的，為防覆冰涂層的設(shè)計(jì)提供了新思路。