数九寒冬，滴水成冰，自然界中水结冰是一种再普遍不过的相变现象。然而，水是怎么变成冰的呢？近百年前，美国物理学家吉布就提出了“临界冰核”这一概念。不过，所谓的“临界冰核”的真实面目却始终没人见过。
　　为了揭开“临界冰核”的真面目，全世界的科学家一直在孜孜不倦地研究。最近，科学权威杂志《自然》发表了一项关于自然界中相变成核现象的研究成果，中国的科研人员首次通过科学实验终于证实了水结冰过程中临界冰核的存在，并给出了临界冰核的尺寸和过冷温度的关系，更让人兴奋的是这一成果与经典成核理论预言高度契合。
　　普通人都知道，自然界的物质在特定条件下会自发从一个状态变成另一个状态。例如，低温下的水会结成冰，同样，外界温度达到并超过冰的熔点，冰就融化。科学家们把这称之为“相变”。不过，按照“经典成核理论”，相变是需要经过“成核”过程的。“水是怎么变成冰的？”这个听起来很简单的问题，却着实让科学家们煞费苦心。
　　在生活中，尽管冰晶普遍存在，但是在分子里面，人类一直无法真实了解水分子以何种形态相互结合形成“冰核”进而生长成大冰晶的过程。换句话说，临界冰核是水和冰相变过程中瞬间存在的过渡态——纳秒级别，尺寸非常小——纳米级别。人类的微观探测技术在这难题面前是“相形见绌”，想要通过直接观察“逮住”临界冰核那更是想也别想。
　　不过，研究人员发现了在低温中生存的冬尺蠖携带一种“抗冻蛋白”，能够抑制体内冰晶生长。而另一种作用相反的蛋白“冰晶核蛋白”却可以高效地促进冰核形成。它们的结构相似，唯一的不同就是尺寸。抗冻蛋白尺寸约在1—2纳米左右，冰晶核蛋白在几十个纳米级。研究人员由此确定，“尺寸”是决定冰核能不能形成的重要因素。
　　科学家设计制备了系列尺寸和化学性质窄分布的氧化石纳米材料，研究了不同尺寸氧化石墨烯对成核温度的影响。通俗解读就是，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。此外，研究人员还进一步确定了“冰核”的临界尺寸直径为10纳米左右，这是水分子聚集形成冰晶结构，并快速形成大冰晶所需的最小临界尺寸。最终揭开了水和冰之间的那些事儿。
　　事实上，了解水结冰过程不仅是满足了人们的好奇心，更是有用的知识。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。当然，对爱吃冰激凌的人来说，还与口感有关，因为，实验中还发现，若想让冰激凌口感更好，那冰晶尺寸只能维持在头发丝的一半，大约40微米左右。