初次可视化冰构成时的本子布局，氛围中的水能间接转化为固体冰
在严寒的日子里，氛围中的水蒸气可以直接转化为固体冰，在窗玻璃或汽车挡风玻璃等外貌沉积一层薄薄的冰。这个历程固然屡见不鲜，但几十年来一向让物理学家和化学家忙于弄清晰细节。在《天然》期刊上颁发的一篇新研究论文中，一个国际科学家团队形貌了有史以来初次可视化二维冰形成时的原子布局。这些发觉是由盘算机模仿推动的，引发了试验事情，从这些发觉中得到的洞察。
有朝一日大概会为质料的设计提供信息，使除冰历程变得更简洁、本钱更低。研究作者，宾夕法尼亚大学大气化学家约瑟夫·S·弗朗西斯科(Joseph S.Francisco)说：我发觉非常令人愉快的一件事是，这挑衅了关于冰是怎样生长的传统看法，相识这种布局非常紧张低维空间的水在天然界中无处不在
在包罗质料科学、化学、生物学和大气科学在内的令人难以置信的遍及科学范畴中发挥着要害作用。这也有现实意义，比方对付风力涡轮机如许的工具来说，除冰是至关紧张的，由于风力涡轮机在被冰笼罩时无法发挥作用。假如相识了水和外貌之间的相互作用，那么我们就大概开辟新的质料，使除冰变得更简单。
比年来，弗朗西斯科试验室投入了相称多的精神来研究水，格外是冰在固体外貌界面上的举动。在这一配景下相识到关于冰的生长机制和布局的知识，有助于了解冰在更庞大的情形下是怎样体现的。好比当与大气中其他化学物质和水蒸气相互作用时。研究职员对气相变化历程中冰的化学很感兴趣，由于这与大气中正在产生的反响有关。为明晰解冰生长的根本道理，研究职员通过研究二维布局进入了这一研究范畴：
只有几个水分子厚的冰层。在之前的二维冰研究中，研究利用盘算要领和模仿评释，冰的生长方法取决于外貌是排挤照旧吸引水，以及该外貌的布局。在现在研究中，追求对模仿举行真实天下的验证，并联络了北京大学的一个团队：看看他们是否可以得到二维冰的图像，北京大学的研究小组利用了超强原子力显微镜，它利用机器探针来“觉得”正在研究的质料，将反馈转化为纳米级的辨别率图像。
原子力显微镜可以或许在对质料自己粉碎最小的情形下捕获布局信息，使科学家可以或许辨认在冰形成历程中显现的乃至不稳健的中心布局。地球上险些全部天然形成的冰，都因其六边形的布局而被称为六边形冰，这便是为什么雪花都有六重对称性的缘故原由。六边形冰的一个平面与二维冰布局相似，可以停止于两种范例的边沿：“之字形”或“扶手椅”。
通常，这个自然冰平面的末了是一个锯齿形的边沿。然而，当冰在两个维度上生永劫，研究职员发觉增进模式差别。现在研究初次评释“扶手椅”边沿可以稳健，而且它们的生长遵照一种新的反响途径，这是一种与已知完全差别的机制。只管之前以为之字形生长模式只有六元环的水分子，但盘算和原子力显微镜都展现了一其中间阶段，此中存在五元环。
这一效果大概有助于解说在PNAS论文中陈诉的试验观看效果，该研究发觉，冰在一个外貌上可以以两种差别的方法生长，这取决于该外貌的属性。除了为将来有利于除冰的质料设计提供洞察外，研究中利用的技能还实用于探究二维冰以外的一大类二维质料生长，从而为可视化低维物质的布局和动力学开发了一条新途径。二维作品是铺设配景的底子，通过试验验证这些盘算黑白常好的，由于这让我们可以回到盘算中，向三维迈出大胆的下一步。
博科园｜研究/来自：宾夕法尼亚大学
参考期刊《天然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1853-4
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