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雪花并不总是“六出” 中科院利用原位电镜确认立方冰
2023年05月05日 08:30:30
来源：化工仪器网 点击量：4825
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员白雪冬、副研究员王立芬团队，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，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。
【化工仪器网 项目成果】雪花是天空中的水汽经凝华而来的固态降水，结构随温度的变化而变化，多呈六角形，像花。这是因为在自然界中冰是一种属于六角密堆结构的晶体，这种微观的分子排布决定了宏观上冰晶的形貌往往具有六次对称性。我们将这种晶体结构的冰称为“六角冰”。
但在自然观察中可以看到，实际上雪花并不总是“六出”。诺贝尔奖得主Linus Pauling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报道了立方冰结构。后来人们在实验室中通过各种方法如冻结纳米液滴法、离解气体水合物法、纳米限域结晶法等方式制备出立方冰。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。故在较长一段时间中，关于水结晶领域的研究集中于立方冰的制备与表征。
然而，研究发现，在实验室中无论通过何种方法制备的立方冰，其衍射峰总是偏离理想的面心立方的衍射特征，说明其并不是纯相的立方冰。严格地说，也许自然界并不存在所谓的“立方冰”，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，这始终存在争议。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员白雪冬、副研究员王立芬团队，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，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。
研究展示了-170℃左右的低温衬底上气相水凝结成冰晶的过程，发现了立方冰在这种低温衬底上的优先形核生长。分子级成像证实了水结晶可以形成各种形貌不一的单晶立方冰。而随着时间的增加，冰晶整体中六角冰的占比逐渐增加。研究分析提出，这表明异质界面在立方冰的形成中起着重要作用。而自然界中常见的降雪大多都是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长，且这种异质界面无处不在。
研究人员观察到，无论在生长过程中还是电子束激发下，立方冰在观测时间内均保持着相当的稳定性，未发生向六角冰转变的迹象。这种结构的稳定性验证了立方冰在水结冰过程中具有相当大的竞争力，因此可能在该过程中扮演着重要的角色。
该研究展示了利用原位透射电镜技术将冰的实验研究深入到分子水平。
相关研究成果Tracking cubic ice at molecular resolution于近日发表在国际期刊《自然》(Nature)上。
参考资料来源：中科院物理研究所
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