氧化石墨烯

这个实验可以简单理解为用尺寸确定的纳米颗粒作为尺子，去度量常规办法不能捕捉到的微小瞬时的临界冰核：持续降低温度可使冰核达到临界尺寸，当这个尺寸恰好与纳米颗粒的尺寸相当时，临界冰核容易形成，并导致宏观冰晶快速形成可被光学显微镜探测到。

观察中，研究人员发现，含有8纳米尺寸氧化石墨烯的水滴，在摄氏零下27.6度时结冰；含有11纳米氧化石墨烯的水滴，在摄氏零下17.6度就开始结冰。最终，他们从一系列的数据中获得定量关系，当成核温度和纳米氧化石墨烯尺寸的乘积等于200时，水结冰。

科研人员进一步通过理论分析和实验证实，发现纳米颗粒尺寸在促进冰成核能力方面的尺寸阈值现象是普遍的，与过冷温度简单成反比关系，而几乎不依赖于纳米颗粒的种类、结构等特征。

此外，研究人员还通过理论计算分析，发现冰成核自由能垒的突变来源于纳米片边界效应导致的临界冰核形状的变化。

经过研究发现这一规律具有普适性，对于不同的测量方法（冰成核延缓时间或冰成核温度）、不同种类的材料（GOs或硅酸镁锂纳米片）以及纳米片的不同状态（固定在基底上或分散在水里），纳米片均在相同的 LΔT ≈ 200 nmK下发生成核能力的突变。而这一临界值（200/ΔT nm）与经典成核理论预测的临界冰核的直径相等。

可以说个简洁清楚的实验结果与经典成核理论关于临界核和自由能的计算预言完全相符，确定无疑地证实了水结冰过程中临界冰核的存在以及它的尺寸和过冷温度的依赖关系。

水结冰作为一个自然界的普遍现象，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。

“还和冰激凌的口感有关系，实验发现，冰淇淋口味要好，冰晶尺寸大概维持在头发丝的一半，大约40微米左右。”王健君说。

而这一成果大大加深了对水结冰这一重要相变现象的微观机制的理解，也在人为控冰应用方面提供了重要理论指引。例如调控冰晶形成和生长、提高细胞组织等冷冻保存的复苏效率、提高食品制作冷藏的保鲜度等，将在化学工业、低温生物学、材料科学等领域发挥至关重要的作用。

以调控冰晶形成和生长为例子，调控冰晶形成和生长以提高细胞组织等冷冻保存的复苏效率和食品制作冷藏的保鲜度；设计与临界冰核尺寸相当的图案化表面，高效调控冰晶形成，为防覆冰涂层的设计提供新思路。