立方冰形成受何影响？

发布时间：2023-04-06 09:03:07 所属栏目：动态来源：

导读：在自然界，冬春雪花为什么多为六角片状？严寒时节滴水成冰为何难以结成立方冰？这些“冰冻三尺非一日之寒”的问题里，也蕴藏着深奥的科学原理，并因学界存有争议而颇受关注。

来自中国科学院物理研究所

在自然界，冬春雪花为什么多为六角片状？严寒时节滴水成冰为何难以结成立方冰？这些“冰冻三尺非一日之寒”的问题里，也蕴藏着深奥的科学原理，并因学界存有争议而颇受关注。

来自中国科学院物理研究所(中科院物理所)/北京凝聚态物理国家研究中心的消息说，其表面实验室白雪冬研究员、王立芬副研究员团队联合北京大学科研人员开展深入研究，成功实现以分子级分辨率观测冰的生长结晶过程，揭开影响立方冰形成的关键因素——原因可能主要在于当前无处不在的异质社交媒体界面。

中科院物理所团队介绍说，在中国，早在西汉年间就有诗人韩婴发现“草木花多五出，雪花独六出”；在欧洲，著名科学家开普勒也曾发出疑问“为什么飘落的雪花总是六角片状”？经过探索研究，人们现在已经知道，这是因为在自然界中冰是一种属于六角密集结构的晶体，其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，学界将这种晶体结构的冰称之为“六角冰”。不过，如果仔细观察阳光被冰晶折射形成的冰晕，自然界中的雪花也许并不总是“六出”，它也越来越有可能长成大小不一的钻石的模样。

神秘的立方冰方面，虽然早在1629年的罗马就有相关冰晕的记载；也有诺贝尔奖得主基于剩余熵理论曾预言立方冰的存在；1943年，德国科学家通过电子衍射，最早提出立方冰结构。后来，科学家们在实验室中又通过冻结纳米液滴法、离解气体水合物法、纳米限域结晶法等各种方法，制备出立方冰。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，再转变为常见的六角冰。于是，很长一段时间，关于高性能水结晶领域的最新研究主要集中于立方单晶冰的工程化制备与实验室表征中。

不过，科学家渐渐发现，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，说明其并不是纯粹的立方冰。严格而言，也许自然界并不存在所谓“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。

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、理解不同气体水合物的方法得到高纯度的立方冰。在此基础上，学界面临的新问题来了：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？

明确了“药方”，研究团队就着手“对症下药”。在本项研究中，他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。

（编辑：汽车网）

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