物质共存在有六种形态，分别是固态、液态、气态、等离子态、玻色—爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态，物质形态之间会相互转化。

以水为例子，根据热力学，水分子在溶液中会不停地进行热运动；当温度低于冰点，水分子会趋向进行有序的排列。冰核的形成就是水分子的无序热运动和水分子有序排列的竞争结果。

但很多时候温度低于零度，水却不一定结冰？这样的现象让很多人困惑，出现这样的原因其实和“核”有关！

低温下的水会结成冰，这被科学家们称为“相变”。但微观层面上“水变冰”的具体过程却不为人所知，也就是冰晶成核过程。

1876年美国著名数学物理学家，数学化学家吉布斯在康涅狄格科学院学报上发表了奠定化学热力学基础的经典之作《论非均相物体的平衡》。

这一长达三百余页的论文被认为是化学史上最重要的论文之一，其中提出了吉布斯自由能，化学势等概念，阐明了化学平衡、相平衡、表面吸附等现象的本质。

吉布斯自由能指出是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外做功的部分。比如水结冰自由能减小,熵变小,因为冰是水的晶体,水分子排列更有序,混乱度减小则熵变小

在此基础上，吉布斯曾经提出了著名的“经典成核理论”，成核（Nucleation），也称形核，是指相变初始时的“孕育阶段”，也即生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。吉布斯指出过两类不同的相变发生方式：

一类是变化程度大而范围小的相变，另一类是变化程度小但范围大的相变。前者就是一般意义上的成核作用, 后者多指发生在双组分液态系统中的不混溶作用 , 又称拐点分解。 这是指在一定温度下 , 双组 分的均匀液体系统会分成一定成分的两种液体。这时并不需要成核。相变发生时系统的自由能降低。这是一种连续相变 , 相边界是弥漫，

程度大范围小的相变 , 是指新相在母相中开始形成时，并非在亚稳系统的全部体积内均匀地发生 , 而是在母相的某些位置产生小范围的新相。 在新相和母相之间有比较清晰的界面将它们分开。这种在母相 中诞生出小体积的新相的作用就是成核。

结晶的热力学条件

但是吉布斯的理论却慢慢受到了科学界的质疑，因为根据他的理论预言，认为如水结冰这类相变需经过一个成核过程，水过冷形成小冰核，仅当形成的冰核偶然超过临界尺寸（即“临界冰核”）时，相变才能自发发生。如果要符合吉布斯的理论，那么就一定需要找到“临界冰核”的存在。

简单来说，过冷水（0℃以下的液态水）中可以偶然形成不同大小的纳米尺度的冰核。不过，不是所有的冰核都能变成宏观的冰晶，仅仅当形成的冰核大小超过临界尺寸时，即形成临界冰核时，水才会开始结冰。