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立方冰存在吗？科学研究又有新发现(2)

2023-03-30 08:52:23 来源：央视新闻 A+A-

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。

立方冰存在吗？科学研究又有新发现

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。

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