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世界關(guān)注:立方冰形成受何影響?研究從分子水平揭開謎團
來源:中國新聞網(wǎng) 2023-03-31 09:10:17

中新網(wǎng)北京3月30日電 (記者孫自法)在自然界,冬春雪花為什么多為六角片狀?嚴寒時節(jié)滴水成冰為何難以結(jié)成立方冰?這些“冰凍三尺非一日之寒”的問題里,也蘊藏著深奧的科學(xué)原理,并因?qū)W界存有爭議而頗受關(guān)注。


(資料圖片)

來自中國科學(xué)院物理研究所(中科院物理所)/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的消息說,其表面實驗室白雪冬研究員、王立芬副研究員團隊聯(lián)合北京大學(xué)科研人員開展深入研究,成功實現(xiàn)以分子級分辨率觀測冰的生長結(jié)晶過程,揭開影響立方冰形成的關(guān)鍵因素——可能在于無處不在的異質(zhì)界面。

這項從分子水平揭秘立方冰形成過程的重要成果論文,北京時間3月29日夜間以“分子分辨率下的立方冰跟蹤”為題在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)在線發(fā)表。

為何研究立方冰?

中科院物理所團隊介紹說,在中國,早在西漢年間就有詩人韓嬰發(fā)現(xiàn)“凡草木花多五出,雪花獨六出”;在歐洲,著名科學(xué)家開普勒也曾發(fā)出疑問“為什么飄落的雪花總是六角片狀”?經(jīng)過探索研究,人們現(xiàn)在已經(jīng)知道,這是因為在自然界中冰是一種屬于六角密堆結(jié)構(gòu)的晶體,其微觀的分子排布決定了宏觀上冰晶的形貌也往往具有六次對稱性,學(xué)界將這種晶體結(jié)構(gòu)的冰稱之為“六角冰”。不過,如果仔細觀察陽光被冰晶折射形成的冰暈,自然界中的雪花也許并不總是“六出”,它也有可能長成鉆石的模樣。

神秘的立方冰方面,雖然早在1629年的羅馬就有相關(guān)冰暈的記載;也有諾貝爾獎得主基于剩余熵理論曾預(yù)言立方冰的存在;1943年,德國科學(xué)家通過電子衍射,最早提出立方冰結(jié)構(gòu)。后來,科學(xué)家們在實驗室中又通過凍結(jié)納米液滴法、離解氣體水合物法、納米限域結(jié)晶法等各種方法,制備出立方冰。種種實驗跡象以及理論計算認為,冰在形核結(jié)晶過程中可能更傾向于形成立方冰,再轉(zhuǎn)變?yōu)槌R姷牧潜?。于是,很長一段時間,關(guān)于水結(jié)晶領(lǐng)域的研究集中于立方冰的制備與表征中。

不過,科學(xué)家漸漸發(fā)現(xiàn),在實驗室中無論通過什么方法制備的立方冰,其衍射峰總是偏離理想的面心立方的衍射特征,說明其并不是純相的立方冰。嚴格而言,也許自然界并不存在所謂“立方冰”,它也可能是密堆面上立方冰與六角冰隨機堆垛的一種特殊結(jié)構(gòu)。由于缺乏更進一步的表征手段,這種爭議一直持續(xù)。

如何追蹤立方冰?

直到2020年,意大利和日本兩個課題分別報道了兩種制備純相立方冰的方法,他們通過精確控制實驗條件、離解不同氣體水合物的方法得到高純度的立方冰。在此基礎(chǔ)上,學(xué)界面臨的新問題來了:水結(jié)晶可以直接形成立方冰嗎?影響立方冰形成的關(guān)鍵因素在于什么呢?

中科院物理所團隊指出,對于水結(jié)晶這一物理過程,目前學(xué)界還遠遠談不上了解,其研究的主要難點在于人們始終難以在其分子水平上提供相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。關(guān)于立方冰的爭議即是如此,由于生長過程中常伴隨缺陷,傳統(tǒng)的衍射手段無法將立方冰與堆垛無序冰區(qū)分開來。因此,具有高空間分辨率、低損傷的水結(jié)冰實時顯微成像技術(shù)具有十分重要的意義。

明確了“藥方”,研究團隊就著手“對癥下藥”。在本項研究中,他通過發(fā)展原位冷凍電鏡,借助像差矯正透射電子顯微鏡和低劑量電子束成像技術(shù),成功實現(xiàn)了以分子級分辨率觀測冰的生長結(jié)晶過程,并原位表征結(jié)構(gòu)的演化。

收獲哪些重要成果?

中科院物理所團隊表示,研究人員通過展示-170℃左右的低溫襯底上氣相水凝結(jié)成冰晶的過程,以分子級成像證實了水結(jié)晶可以形成各種形貌不一的單晶立方冰,而隨著時間的增加,冰晶整體中六角冰的占比逐漸增加。他們分析認為,這表明異質(zhì)界面在立方冰的形成中起著重要作用,而自然界中常見的降雪大多都是水分子在灰塵礦物質(zhì)等表面的凝聚生長,該種異質(zhì)界面無處不在。

研究團隊進一步研究發(fā)現(xiàn)立方冰內(nèi)部的常見缺陷,注意到無論在生長過程中還是電子束激發(fā)下,立方冰在觀測時間內(nèi)都保持著相當?shù)姆€(wěn)定性,而未發(fā)生向六角冰轉(zhuǎn)變的跡象。他們認為,這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗證了立方冰在水結(jié)冰過程中具有相當大的競爭力,可能在該過程中扮演著至關(guān)重要的角色。

研究團隊總結(jié)說,現(xiàn)已證明,水結(jié)晶也可以直接形成立方冰,而影響立方冰形成的關(guān)鍵因素可能在于無處不在的異質(zhì)界面。最新完成的立方冰研究向人們展示,利用原位透射電鏡技術(shù)可將冰的實驗研究深入到分子水平。

“關(guān)于冰,其實還有很多的未解之謎,每一次實驗技術(shù)的進步都會帶給我們?nèi)碌恼J識?!痹撗芯繄F隊表示。(完)

(原題:《立方冰形成受何影響?中科院物理所團隊從分子水平揭開謎團》)

作者:孫自法來源:中國新聞網(wǎng)

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