中科院、北大學(xué)者研究表明:水結(jié)晶可以直接形成立方冰
本報北京3月30日電(記者齊芳)冰是宇宙中最常見的固體,它們是恒星形成的基礎(chǔ),也是生命之源。自然界中,冰是一種六角密堆結(jié)構(gòu)的晶體,被稱為“六角冰”,這也是雪花總是六角片狀的原因。那么,自然界中,冰可能形成像鉆石一樣的立方體嗎?
來自中國科學(xué)院和北京大學(xué)的研究者,利用原位透射電鏡技術(shù)將冰的實驗研究深入到分子水平,對這個問題給出新解: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。這一成果29日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
一直以來,科學(xué)家們對立方冰的研究花費了很大力氣,也在實驗室中制備出了立方冰,“但對于水結(jié)晶這一物理過程,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)。因此,關(guān)于自然界中是否存在立方冰的爭議從未停止?!闭撐牡闹饕瓿扇酥弧⒅袊茖W(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員白雪冬說:“從這個角度說,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)就具有十分重要的意義。”
白雪冬研究員、王立芬副研究員團隊,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。
研究人員展示了-170℃左右的低溫襯底上氣相水凝結(jié)成冰晶的過程,發(fā)現(xiàn)了立方冰在這種低溫襯底上的優(yōu)先形核生長。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。研究人員分析,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是水分子在灰塵礦物質(zhì)等表面的凝聚生長,這種異質(zhì)界面無處不在。
進一步地,研究人員表征了立方冰內(nèi)部的常見缺陷。實驗觀測結(jié)合分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明,這種富缺陷的結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定,在電子束的擾動下缺陷層發(fā)生結(jié)構(gòu)構(gòu)型的協(xié)同扭曲乃至整體的攀爬?!斑@可能就是自然界中我們幾乎無法看到立方冰的原因?!卑籽┒f。
白雪冬介紹,不過,在微觀世界中,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(dāng)?shù)姆€(wěn)定性,而未發(fā)生向六角冰轉(zhuǎn)變的跡象。“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(dāng)大的競爭力,因此可能在該過程中扮演著至關(guān)重要的角色?!?/p>
“現(xiàn)在我們已經(jīng)證實,雪花并不總是‘六出’。”白雪冬說,“原位透射電鏡技術(shù)在對冰的研究中還大有可為,相信每一次實驗技術(shù)的進步都會帶給我們?nèi)碌恼J識,揭開關(guān)于冰的更多謎題?!?/p>
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