随着科学家探索极限,冰和液态水的共存在纳米尺度上破裂

时间:2019-11-06 11:30 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

随着科学家探索极限,冰和液态水的共存在纳米尺度上破裂

 

  最小的冰粒有多小?它不是雪花,只有一英寸的巨大尺寸。根据发表在《美国国家科学院院刊》上的新研究,可以形成冰的最小水纳米滴只有90个水分子,是最小病毒的十分之一。根据犹他大学化学教授和研究合著者瓦莱里亚·莫利内罗(Valeria Molinero)的说法,在这么小的规模上,冰和水之间的过渡会变得有些卷曲。

  她说:“当您喝一杯加冰的水时,看不到玻璃中的水会随着时间的流逝将所有的冰和所有的液体变成冰块。” 她说,在最小的水纳米滴中,确实发生了这种情况。

  为什么“冰我”很重要

  水和冰之间的转换是我们星球上各相(固体,液体和气体)之间最重要的转换之一,它不仅对我们的气候产生影响,而且还调节着生命的活力。因此,了解导致结冰的条件是涉及环境和地球科学,物理学,化学,生物学和工程学等领域的积极追求。

  冰几乎完全以高度有序的六边形晶体结构(称为“冰I”)存在于地球上。在我们的大气中,小的水团簇形成并随后冻结,播种了较大的晶体,最终形成了云。但是,由于竞争性的热力学效应,在一定直径以下时,这些水团不能形成热力学稳定的冰I。多年来,通过实验和理论研究了能够形成稳定冰I的水团的确切大小范围,最近的估计使范围缩小。范围从低至90个水分子到高达400个。

  过冷:低速和慢速

  过去,通过实验研究此极限的主要障碍是将过冷的液体团簇冷却得足够慢,以至于无法正确形成冰晶格。冷却太快会形成无定形冰团,相序较少。如果群集没有缓慢均匀地冷却,则结果是冰相的不自然结合。制冰的计算机模拟在复制纳米级物理学和制冰方面也面临着自己的挑战。

  在这项新研究中,犹他大学,加利福尼亚大学圣地亚哥分校,哥廷根大学,马克斯·普朗克哥廷根太阳系研究与动力学和自组织研究所的研究人员结合了仿真和实验的最新进展,以解开纳米级簇中作用于冰-液转变的约束之间的相互作用。

  为了克服冷却问题,哥廷根团队使用了一种分子束,该分子束通过首先将水和氩气的混合物通过直径约60微米的喷嘴膨胀来生成所需大小的簇。然后将生成的光束漏斗通过三个不同的区域,在该区域中降低了冷却速度,以控制团簇的形成,达到150 K(-123°C或-189°F)的低温。圣地亚哥和犹他州研究小组开发的计算机水模型用于模拟纳米液滴的特性。

  冰的尽头

  研究人员使用红外光谱特征来监测星团中向冰I的转变,研究人员在实验方法和理论方法之间找到了有希望的协议。结果提供了有力的证据,表明当冰团约有90个水分子时,“冰末”就会发生。在这样的大小下,簇的直径仅约2纳米,比典型的雪花小约一百万倍。

  加州大学圣地亚哥分校的弗朗切斯科·帕萨尼(Francesco Paesani)解释说:“这项工作以一致的方式将实验和理论概念联系起来,以研究过去三十年的微观水性质,现在可以从一个共同的角度来看。”

  意外振荡

  出乎意料的是,研究人员在模拟和实验中都发现,冰的共存在90到150个水分子簇中的行为不同,这是因为我们观察到了宏观(大规模)冰和水在0°时经历的尖锐,定义明确的融化转变C.发现这些团簇会在一定温度范围内过渡,并在液态和冰态之间随时间振荡,这种小规模效应最初是在三十年前预测的,但直到现在仍缺乏实验证据。

  哥廷根大学的Thomas Zeuch指出:“宏观系统没有类似的机制;水是液体或固体。在这种大小和温度范围内,这种振荡行为似乎是集群所独有的。”

  “我们在宏观世界中的相位共存体验中没有这些振荡!”莫林罗补充道。她说,在一杯水中,无论冰块的大小如何,冰和水都是稳定的并且可以共存。但是,在一个既包含液体又包含冰的纳米液滴中,大多数水分子将位于冰和水之间的界面上,因此整个两相簇变得不稳定,并在固体和液体之间振荡。

  当冰变得怪异

  Molinero对杏鑫平台注册登录说,在实验中,大小和温度不同的水簇在星际物体和包括我们自身在内的行星大气中很常见。它们也存在于平流层上方的大气层中层。

  她说:“它们还可以作为水的口袋存在于某种物质的基质中,包括蛋白质腔中。”

  Molinero说,如果可以控制振荡转变,那么可以想象它们可以构成纳米阀的基础,该纳米阀在液体时允许物质通过,而固体时则阻止流动。

  结果不仅限于冰和水。Molinero说,小规模现象应该发生在任何相同规模的物质上。她说:“从这个意义上讲,我们的工作超越了水,更笼罩着相变的尾声,它是如何从尖锐转变成振荡的,然后各相本身消失,系统表现得像一个大分子。”

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