仔细看看薄冰

时间:2020-01-03 16:55 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

仔细看看薄冰

在寒冷的日子里,空气中的水蒸气可以直接转化成固态冰,在窗玻璃或汽车挡风玻璃等表面沉积一层薄冰。尽管这一过程很常见,但几十年来,物理学家和化学家们一直忙于研究这一过程的细节。

在《自然》杂志的一篇新论文中,一个国际科学家团队首次对二维冰形成时的原子结构进行了可视化描述。这些发现是由计算机模拟驱动的,激发了实验工作,也许有一天,这些发现会启发材料的设计,使除冰变得更简单,成本更低。

“我发现非常令人兴奋的一件事是,这挑战了关于冰是如何生长的传统观点,”宾夕法尼亚大学的大气化学家约瑟夫·s·弗朗西斯科(Joseph S. Francisco)说,他也是这篇论文的作者之一。

“了解这种结构非常重要,”共同作者朱崇勤补充道。他是弗朗西斯科研究组的博士后研究员,领导了这项研究的大部分计算工作。“低维水在自然界中无处不在,在包括材料科学、化学、生物学和大气科学在内的极为广泛的科学领域中发挥着关键作用。

这也具有现实意义。例如,当风力涡轮机等设备被冰覆盖时,除冰是至关重要的,因为这些设备无法正常工作。如果我们理解了水和表面之间的相互作用,那么我们就有可能开发出新的材料,使这种除冰变得更容易。”

近年来,弗朗西斯科的实验室投入了相当多的精力来研究水,特别是冰在固体表面界面上的行为。他们在这一背景下对冰的生长机制和结构的了解有助于他们理解冰在更复杂的情况下的行为,比如与大气中的其他化学物质和水蒸气的相互作用。

弗朗西斯科解释说:“我们对冰与气相转变的化学性质很感兴趣,因为这与我们大气中正在发生的反应有关。”

为了了解冰生长的基本原理,研究人员通过研究二维结构进入了这个研究领域:只有几个水分子厚的冰层。

在以前对二维冰的研究中,Francisco, Zhu和他的同事们使用计算方法和模拟,表明冰的生长取决于一个表面是否排斥或吸引水,以及该表面的结构。

在目前的工作中,他们试图在真实世界中验证他们的模拟,并联系了北京大学的一个团队,看看他们能否获得二维冰的图像。

北京大学的研究小组使用了超强大的原子力显微镜,它使用一个机械探针“感觉”被研究的材料,将反馈转化成纳米级分辨率的图像。原子力显微镜能够在对材料本身破坏最小的情况下捕获结构信息,从而使科学家能够识别在冰形成过程中产生的不稳定的中间结构。

事实上,地球上所有自然形成的冰都被称为六边形冰,因为它的六边形结构。这就是为什么雪花都有六倍的对称性。一个六角形的冰平面与二维的冰有相似的结构,并且可以在两种边缘上终止——“之字形”或“扶手椅形”。通常这片天然冰的边缘是锯齿形的。

然而,当冰在二维空间中生长时,研究人员发现其生长模式是不同的。目前的工作,第一次表明,扶手椅的边缘可以稳定,他们的增长遵循一个新的反应途径。

“这是一个完全不同的机制,从什么是已知的,”朱说。

尽管之字形的生长模式之前被认为只有六元环的水分子,朱的计算和原子力显微镜都揭示了中间阶段的五元环的存在。

研究人员表示,这一结果可能有助于解释他们在2017年《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的实验观察报告,该报告发现,根据一个表面的性质,冰可以以两种不同的方式生长。

除了贷款洞察未来设计的材料有利于冰清除工作中使用的技术也适用于探测器的发展一个大家庭之外的二维材料的二维冰,因此打开一个低维的结构和动态可视化的新途径。

对于没有直接参与当前工作的宾夕法尼亚艺术与科学大学(Penn Arts & Sciences)教授、化学家杰弗里·萨文(Jeffrey Saven)来说,弗朗西斯科所在团队的理论家与他们在中国的同事之间的合作,让他想起了一个他在培训期间从一位导师那里学到的寓言。

“一个实验主义者正在和理论家们讨论实验室收集的数据。平庸的理论家说,‘我真的无法解释你的数据。’”优秀的理论家会说:‘我有一个符合你数据的理论。’伟大的理论家说,‘这很有趣,但这是你应该做的实验,以及为什么要做。’”

为了建立这种成功的合作关系,朱、弗朗西斯科和他们的同事们正着手进行理论和实验工作,以填补二维冰如何形成三维冰的空白。

“二维的工作是奠定背景的基础,”Francisco说。“通过实验验证计算结果是非常好的,因为这让我们能够回到计算结果,并朝着三维空间迈出大胆的一步。”

“下一步将是寻找三维冰的特征,”朱说,“在寻找这项工作的应用方面应该是非常重要的。”

当前位置:主页 > 化学知识 >

声明:本文杏鑫娱乐整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/huaxue/447.html

围观: 次 | 责任编辑:杏鑫

延伸阅读

SEO关键字



回到顶部