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量子材料
过冷水结冰成核研究进展
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主讲人: 周昕(中国科学院大学物理科学学院)
地点: 北京大学物理楼, 西563会议室
时间: 2021年12月29日 (周三)下午3:00
主持 联系人: 江颖
主讲人简介: 周昕,中国科学院大学物理科学学院教授。2001年,中国科学院理论物理研究所博士;2002-2011年先后在日本东京工业大学(JSPS Fellow)、德国马普高分子研究所(Humboldt Fellow)、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(研究助理),以及韩国亚太理论物理中心(研究组负责人)工作。2011年起加入中国科学院大学,入选中科院“百人计划”。主要从事水的性质与相变,低维、纳米系统的平衡和非平衡统计物理,软物质与生物高分子等的多尺度建模和模拟等方面的研究。在Nature,JACS,Angew Chem, Adv. Mat.等发表80多篇研究论文。

摘要:

过冷水(低于0oC)发生结冰这一常见现象仍有很多未解之谜。水结冰通常被认为分成成核和生长两个过程:随机涨落形成小冰核,随机涨落小冰核偶然达到临界尺寸,形成临界冰核;然后临界冰核自发快速生长致全部水结冰。临界冰核形成是水结冰的关键,但因其尺寸小(纳米)、寿命短(纳秒)而缺乏直接试验观测。水结冰成核通常需要基底或杂质表面辅助,使得水能在较低过冷度(较接近0oC)即可结冰,但这些表面的特征与其促进水结冰成核能力间关系目前仍不很清楚,缺乏预期表面结冰能力的理论。纯水结冰关系到过冷水本身的特征,一般认为在-40 oC附近发生,更低温度下液态水因为很快自发结冰而难以被探测,被称为水研究的“无人区”。近一二十年来一些工作暗示发生在-40 oC附近的水自发结冰可能仍是由水中残存的杂质或水滴表面诱导导致,但实验数据精度不足,至今无明确结论。这里简要介绍我们课题组和合作者最近在水结冰成核方面的工作:试验探测临界冰核;理论与模拟研究表面分子相互作用与促进结冰成核能力关系;系统实验及发展高精度数据处理方法澄清纯水结冰机制;以及基于冰重结晶动力学的精确控制纳米自组装等应用。

参考文献:

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)

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