空氣中的水能直接轉(zhuǎn)化為固體冰，首次可視化冰形成時的原子結(jié)構(gòu)！

2020-04-07 17:55 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

在寒冷的日子里，空氣中的水蒸氣可以直接轉(zhuǎn)化為固體冰，在窗玻璃或汽車擋風(fēng)玻璃等表面沉積一層薄薄的冰。這個過程雖然司空見慣，但幾十年來一直讓物理學(xué)家和化學(xué)家忙于弄清楚細節(jié)。

在《自然》期刊上發(fā)表的一篇新研究論文中，一個國際科學(xué)家團隊描述了有史以來首次可視化二維冰形成時的原子結(jié)構(gòu)。

這些發(fā)現(xiàn)是由計算機模擬推動的，激發(fā)了實驗工作，從這些發(fā)現(xiàn)中獲得的洞察。有朝一日可能會為材料的設(shè)計提供信息，使除冰過程變得更簡單、成本更低。研究作者，賓夕法尼亞大學(xué)大氣化學(xué)家約瑟夫·S·弗朗西斯科(Joseph S.Francisco)說：我發(fā)現(xiàn)非常令人興奮的一件事是，這挑戰(zhàn)了關(guān)于冰是如何生長的傳統(tǒng)觀點。

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了解這種結(jié)構(gòu)非常重要低維空間的水在自然界中無處不在，在包括材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和大氣科學(xué)在內(nèi)的令人難以置信的廣泛科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

這也有實際意義，例如對于風(fēng)力渦輪機這樣的東西來說，除冰是至關(guān)重要的，因為風(fēng)力渦輪機在被冰覆蓋時無法發(fā)揮作用。如果了解了水和表面之間的相互作用，那么我們就可能開發(fā)新的材料，使除冰變得更容易。近年來，弗朗西斯科實驗室投入了相當(dāng)多的精力來研究水，特別是冰在固體表面界面上的行為。在這一背景下了解到關(guān)于冰的生長機制和結(jié)構(gòu)的知識，有助于理解冰在更復(fù)雜的情況下是如何表現(xiàn)的。

比如當(dāng)與大氣中其他化學(xué)物質(zhì)和水蒸氣相互作用時。研究人員對氣相轉(zhuǎn)變過程中冰的化學(xué)很感興趣，因為這與大氣中正在發(fā)生的反應(yīng)有關(guān)。為了了解冰生長的基本原理，研究人員通過研究二維結(jié)構(gòu)進入了這一研究領(lǐng)域：只有幾個水分子厚的冰層。在之前的二維冰研究中，研究使用計算方法和模擬表明，冰的生長方式取決于表面是排斥還是吸引水，以及該表面的結(jié)構(gòu)。在目前研究中，尋求對模擬進行真實世界的驗證，并聯(lián)系了北京大學(xué)的一個團隊：

看看他們是否可以獲得二維冰的圖像，北京大學(xué)的研究小組使用了超強原子力顯微鏡，它使用機械探針來“感覺”正在研究的材料，將反饋轉(zhuǎn)化為納米級的分辨率圖像。原子力顯微鏡能夠在對材料本身破壞最小的情況下捕捉結(jié)構(gòu)信息，使科學(xué)家能夠識別在冰形成過程中出現(xiàn)的甚至不穩(wěn)定的中間結(jié)構(gòu)。地球上幾乎所有自然形成的冰，都因其六邊形的結(jié)構(gòu)而被稱為六邊形冰，這就是為什么雪花都有六重對稱性的原因。

六邊形冰的一個平面與二維冰結(jié)構(gòu)相似，可以終止于兩種類型的邊緣：“之字形”或“扶手椅”。通常，這個天然冰平面的末端是一個鋸齒形的邊緣。然而，當(dāng)冰在兩個維度上生長時，研究人員發(fā)現(xiàn)增長模式不同。目前研究首次表明“扶手椅”邊緣可以穩(wěn)定，并且它們的生長遵循一種新的反應(yīng)途徑，這是一種與已知完全不同的機制。盡管之前認為之字形生長模式只有六元環(huán)的水分子，但計算和原子力顯微鏡都揭示了一個中間階段，其中存在五元環(huán)。

這一結(jié)果可能有助于解釋在PNAS論文中報告的實驗觀察結(jié)果，該研究發(fā)現(xiàn)，冰在一個表面上可以以兩種不同的方式生長，這取決于該表面的屬性。除了為未來有利于除冰的材料設(shè)計提供洞察外，研究中使用的技術(shù)還適用于探索二維冰以外的一大類二維材料生長，從而為可視化低維物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)開辟了一條新途徑。二維作品是鋪設(shè)背景的基礎(chǔ)，通過實驗驗證這些計算是非常好的，因為這讓我們可以回到計算中，向三維邁出大膽的下一步。