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原子分辨率成像揭示冰表面秘密:预融化机制和潜在应用

科学探索万象经验2024-06-08

冰Ih(六角形冰),是地球上最常见的冰的形式,它的特点是水分子在六角晶格中排列。这种结构对许多冰的物理性质至关重要,比如它相对于液态水的低密度,这使得冰能够漂浮。

冰Ih的表面一直是研究的热点,因为它在各种自然过程中起着关键作用,包括云的形成、大气化学和冰的滑动性。尽管其重要性,由于脆弱的氢键网络和复杂的预融化过程,冰界面的确切原子结构一直难以捉摸。

最近发表在《自然》杂志的一项突破性研究,实现了对冰Ih表面结构的原子分辨率成像,揭示了预融化现象——即使在低于冰点的温度下,冰表面也会形成一层液态水。

在这项研究中,研究人员采用了一种名为qPlus的基准低温原子力显微镜 (AFM) 的先进技术。这种强大的工具使科学家能够以令人难以置信的精度探测表面,分辨单个原子。为了增强图像分辨率,研究人员使用了一种特殊的AFM探针,该探针用一氧化碳分子进行功能化,以创建了一个用于与冰表面相互作用的明确探针。

这种创新方法揭示了一幅迷人的画面。正如预期的那样,冰的大部分结构有序,氧原子排列成六角形图案。然而,表面本身却呈现出不同的景象。最顶层的氢原子,对于形成将冰结合在一起的氢键至关重要,呈现出一种短程秩序,形成一个(2 × 2)的模式,与冰的厚度或下面的基底无关。这表明与体积冰相比,表面氢原子的排列略有重新排列。

更有趣的是,研究确定了导致预融化的关键因素——缺陷边界的存在。冰 Ih可以与另一种形式的冰——冰Ic共存,后者具有略微不同的晶体结构。这两种类型的冰之间的界面充满了缺陷,成为了一个薄弱环节。这个富含缺陷的区域更容易受到热波动的影响,导致水分子运动局部的增加和预融化的液态层形成。

预融化层在冰的滑腻性中起着重要作用,表面存在液体润滑剂解释了物体可以轻松地在冰上滑动的原因。此外,研究表明,由杂质存在引起的平面局部结构的形成可能会进一步促进预融化。
(www.ws46.Com)

这项研究对我们理解各种现象具有重大意义。它为理解原子水平的冰行为提供了宝贵的见解,这对于改进气候模型和预测冰盖稳定性至关重要。此外,这些发现可以促进具有定制表面性能的新材料的开发,例如可最大限度地减少摩擦的超级润滑剂。

但是,为了完全阐明冰面预融化的复杂性,还需要进一步研究。外部因素如压力和污染物的存在需要进一步探索。此外,更深入地了解预熔化层的动力学及其与底层冰结构的相互作用至关重要。

总而言之,近期关于冰Ih表面结构和预融化原子分辨率成像的研究,代表了我们对这种普遍存在的材料理解的重大飞跃。通过揭示冰表面原子的复杂排列,科学家们为进一步探索打开了大门,为气候科学到材料设计等各个领域的进步铺平了道路。