立方冰存在吗?科学研究又有新发现
发布时间:2023-03-30 08:22:27 文章来源:科技日报
立方冰存在吗?科学研究又有新发现

记者从中国科学院物理研究所获悉,该所与北京大学等单位的科研人员合作研究发现,雪花并不总是“六出”,水结晶也可以直接形成立方冰,而影响立方冰形成的关键因素可能在于无处不在的异质界面。这一研究成果近日在《自然》(Nature)杂志发表。

水是宇宙中含量仅次于氢气的物质,而冰是宇宙中最常见的固体,它们是恒星形成的基础,也是生命之源。人们对冰的观察可以追溯到公元前。早在西汉年间,就有诗人韩婴发现“凡草木花多五出,雪花独六出”,科技革命先驱开普勒也曾经发出疑问“为什么飘落的雪花总是六角片状?”。

在自然界中,冰是一种属于六角密堆结构的晶体,这种微观的分子排布决定了宏观上冰晶的形貌也往往具有六次对称性。我们将这种晶体结构的冰称之为“六角冰”。


(资料图片仅供参考)

雪花总是“六出”吗?

冰在自然界中随处可见,比如在天气好的情况下,人们可以看见在太阳周围笼罩着一个或以上的彩色光环。这是阳光透过卷层云时,受到冰晶的折射或反射带来的一种光学现象。由于六角冰通常以冰六棱柱的基面和柱面作为截止面,日晕的视角通常是22度和46度。

但是,在极其罕见的时候,人们可以观察到28度左右的日晕。这种日晕被称为Scheiner’s halo,具体形成机制尚有争议。一种说法为,这时高空中温度较低,卷层云中的冰晶并不是通常的六角冰结构,而是一种类似于金刚石的面心立方结构。这种立方冰会呈现出正八面体的晶体形貌,阳光被这种冰晶折射后就会在28度形成日晕。也就是说,自然界中的雪花也许并不总是“六出”,它也有可能长成钻石的模样。

神秘的立方冰

虽然早在1629年的罗马,就有关于Scheiner’s halo的记载;诺奖得主Linus Pauling基于剩余熵理论也曾预言了立方冰的存在。而在1943年,德国科学家König通过电子衍射,最早报道了立方冰结构。后来人们在实验室中又通过各种方法,包括冻结纳米液滴法、离解气体水合物法、纳米限域结晶法等方式制备出了立方冰。

种种实验迹象以及理论计算认为,冰在形核结晶过程中可能更倾向于形成立方冰,再转变为我们常见的六角冰。于是很长一段时间中,关于水结晶领域的研究集中于立方冰的制备与表征中来。

但渐渐地人们发现,在实验室中无论通过什么方法制备的立方冰,其衍射峰总是偏离理想的面心立方的衍射特征,说明其并不是纯相的立方冰。严格地说,也许自然界并不存在所谓的“立方冰”,它也可能是密堆面上立方冰与六角冰随机堆垛的一种特殊结构。由于缺乏更进一步的表征手段,这种争议一直持续着。

六角冰、立方冰、堆垛无序冰

2020年,意大利和日本两个课题分别报道了两种制备纯相立方冰的方法。他们通过精确控制实验条件,离解不同气体水合物(C0、C2)的方法得到了高纯度的立方冰。那么进一步地,水结晶可以直接形成立方冰吗?影响立方冰形成的关键因素在于什么呢?

从分子水平追踪立方冰

对于水结晶这一物理过程,人类还远远谈不上了解,其研究的主要难点在于人们始终难以在其分子水平上提供相应的实验数据。关于立方冰的争议即是如此,由于生长过程中常伴随缺陷,传统的衍射手段无法将立方冰与堆垛无序冰区分开来。因此,具有高空间分辨率、低损伤的水结冰实时显微成像技术具有十分重要的意义。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心白雪冬研究员、王立芬副研究员团队,通过发展原位冷冻电镜,借助像差矫正透射电子显微镜和低剂量电子束成像技术,成功实现了以分子级分辨率观测冰的生长结晶过程,并原位表征结构的演化。

立方冰的分子级成像及形核结晶过程

研究人员展示了-170℃左右的低温衬底上气相水凝结成冰晶的过程,发现了立方冰在这种低温衬底上的优先形核生长。分子级成像证实了水结晶可以形成各种形貌不一的单晶立方冰。而随着时间的增加,冰晶整体中六角冰的占比逐渐增加。研究人员分析,这表明异质界面在立方冰的形成中起着重要作用。而自然界中常见的降雪大多是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长,这种异质界面无处不在。

进一步地,研究人员表征了立方冰内部的常见缺陷。根据是否引进堆垛无序晶畴为标准,研究人员将立方冰内部的常见缺陷分为了两类,并利用电子束的激发效应探究了堆垛无序晶畴部分的结构动力学。实验观测结合分子动力学模拟结果表明,这种富缺陷的结构并不稳定,在电子束的扰动下缺陷层发生结构构型的协同扭曲乃至整体的攀爬。

立方冰中的缺陷在电子束辐照下的动态行为

研究人员注意到,无论在生长过程中还是电子束激发下,立方冰在观测时间内都保持着相当的稳定性,而未发生向六角冰转变的迹象。这种结构的稳定性验证了立方冰在水结冰过程中具有相当大的竞争力,因此可能在该过程中扮演着至关重要的角色。

通过研究,科研人员认为,雪花并不总是“六出”,水结晶也可以直接形成立方冰,而影响立方冰形成的关键因素可能在于无处不在的异质界面。该研究向人们展示了利用原位透射电镜技术,将冰的实验研究深入到分子水平。关于冰,其实还有很多的未解之谜,每一次实验技术的进步都会带给我们全新的认识。

关键词:

乐活HOT

  • 四川正式启动三级保供电调控措施保障民生用电 优化各类电源发电计划
    四川正式启动三级保供电调控措施

    继8月11日、14日连续两次召开电力保供工作紧急视频会议后,8月15日,四川再次召开电力保供调度会。记者从会上获悉,预计全省最大用电负荷将

  • 前7月四川能源项目累计完成投资493亿元 油气类项目完成投资159亿元
    前7月四川能源项目累计完成投资4

    今年以来,四川积极扩大能源领域有效投资,前7月能源项目累计完成投资493亿元、同比增长4%。8月15日,省能源局相关负责人介绍,前7月煤炭类

  • 四川加力加劲坚决遏制事故多发频发态势 有效提升预报预警水平
    四川加力加劲坚决遏制事故多发频

    8月15日,全省防汛减灾、森林草原防灭火工作电视电话会议召开,深刻汲取彭州8·13山洪灾害教训,分析研判当前形势,安排部署下一步重点工作

  • 四川攀枝花推动打造职业能力建设工作品牌 提供人才广阔展示舞台
    四川攀枝花推动打造职业能力建设

    8月9日,攀枝花技师学院实习工厂里,焊花四溅,机器声此起彼伏。身穿工作服的教师周树春,在一间间操作室里进进出出,指导学生们焊接。过去

  • 上半年湖南物流需求平稳增长行业运行平稳 快递业务量完成10.3亿件
    上半年湖南物流需求平稳增长行业

    记者从省发改委获悉,上半年全省物流需求平稳增长,行业运行总体平稳。全省社会物流总额64096 2亿元,同比增长4 4%;全省物流业总收入为2270

  • 湖南各地工业企业忙生产全力以赴稳增长 生产线全力运转
    湖南各地工业企业忙生产全力以赴

    在全球最大地下工程装备制造基地,掘进机生产计划已排到年底;千亿级工程机械产业园区边建设边生产,打造智能制造标杆……时已立秋,三湘大

  • 江西赣州医疗卫生服务体系进一步完善 完善“三医”联动机制
    江西赣州医疗卫生服务体系进一步

    上犹县水岩乡卫生院医生蔡昌才驱车前往金盆村为村民骆运招治病。以往,每月去医院就诊不仅路途远,还要排队。这几年有了家庭医生后,直接送

  • 江西坚持问题导向推进药品安全专项整治走深走实 持续完善投诉举报渠道
    江西坚持问题导向推进药品安全专

    今年2月以来,省药监局深入开展药品安全专项整治行动,坚持问题导向,以严厉打击违法犯罪行为、全面排查风险隐患为手段,推进专项整治行动

  • 江西九江多举措为创业者营造良好创业贷款环境 就业创业事项一次性办
    江西九江多举措为创业者营造良好

    没想到,现在直接在窗口就能办理,真是太方便了。蒋琼在九江市经营一家造型工作室,近期有意扩大生意规模,需要资金周转。她带齐资料来到九

  • 上半年江西新余全市外贸进出口总值同比增长84.3% 外贸主体活力持续激发
    上半年江西新余全市外贸进出口总

    记者从新余海关获悉,今年上半年,新余市外贸取得了较好成绩,全市外贸进出口总值184 3亿元,同比增长84 3%,高出全国平均水平74 9个百分点

  • 南昌高新区多举措推动重点项目建设加速跑 完善重大重点项目推进机制
    南昌高新区多举措推动重点项目建

    作为南昌市第二季度集中开工的重大项目之一,南昌数谷产业园项目总投资100亿元,计划2024年5月完工交付使用,拟引进字节跳动、华为(南昌)工

  • 安徽淮南颁发优才卡落实高层次人才服务保障制度
    安徽淮南颁发优才卡落实高层次人

    淮南市向中国工程院院士、安徽理工大学校长袁亮颁发了第一张淮南市高层次人才优才卡。为深化我为人才办实事实践活动,落实高层次人才服务保

  • 宿州市埇桥区细化工作举措筑牢防汛“安全堤”
    宿州市埇桥区细化工作举措筑牢防

    连日来,宿州市埇桥区不断细化各项工作举措,压实防汛各项责任,提升应急救援保障能力,筑牢防汛安全堤。目前,该区防汛物资已储备到位,全

  • 安徽无为市“交地即交证”优化营商环境政策正式落地
    安徽无为市“交地即交证”优化营

    近日,无为市自然资源和规划局、无为市福渡镇人民政府在无为润峰中海置业有限公司项目部现场举行交地即交证颁证仪式,标志该市交地即交证优

  • 安徽全椒县推动农村寄宿制学校试点工作
    安徽全椒县推动农村寄宿制学校试

    设施齐全的卫生食堂、水冲式的独立卫生间、楼道墙体粉刷一新的宿舍……走进安徽省全椒县武岗学校,已经运行满一年的农村特色寄宿制学校成果

娱乐LOVE