冰是怎么结成的？科学家终于找到了答案

本文介绍了科学家如何利用欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）攻克一个持续150年的基础科学难题：纯液体如何结冰。传统理论（经典成核理论，CNT）认为，液体降温后，分子会随机形成微小晶体‘核’；只有当核长大到临界尺寸，结晶才稳定并快速扩展。但该理论预测的结冰速率与实验结果常相差高达20–25个数量级——例如，-20℃的超纯水滴可能数十亿年都不结冰，而仅再降温15℃就会在瞬时冻结。这种极端敏感性源于理论中界面能、黏度等参数的微小误差会被指数级放大，也导致不同实验室重复实验时结果差异巨大。为突破瓶颈，研究人员转向结构更简单的模型液体（如液态氪、氩），用XFEL超快X射线衍射技术，在真空喷射液流中直接观测到其在几百微秒、几百微米尺度内从液态演变为晶态的全过程。新实验与模拟结合后，理论与实测成核率的差距缩小至百倍量级（此前常差百万倍以上），证实了‘无序性’在结冰起始阶段的关键作用。这项进展不仅深化了对相变本质的理解，还将提升云冰形成、气候变暖预测及地球内核演化等重大问题的建模精度。