水结晶可以直接形成立方冰

2023-03-31 10:17:19 来源：光明日报

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光明日报北京3月30日电（记者齐芳）冰是宇宙中最常见的固体，它们是恒星形成的基础，也是生命之源。自然界中，冰是一种六角密堆结构的晶体，被称为“六角冰”，这也是雪花总是六角片状的原因。那么，自然界中，冰可能形成像钻石一样的立方体吗？

来自中国科学院和北京大学的研究者，利用原位透射电镜技术将冰的实验研究深入到分子水平，对这个问题给出新解：水结晶也可以直接形成立方冰，而影响立方冰形成的关键因素可能在于无处不在的异质界面。这一成果29日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

一直以来，科学家们对立方冰的研究花费了很大力气，也在实验室中制备出了立方冰，“但对于水结晶这一物理过程，人们始终难以在其分子水平上提供相应的实验数据。因此，关于自然界中是否存在立方冰的争议从未停止。”论文的主要完成人之一、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说：“从这个角度说，具有高空间分辨率、低损伤的水结冰实时显微成像技术就具有十分重要的意义。”

白雪冬研究员、王立芬副研究员团队，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，成功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。

研究人员展示了-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。研究人员分析，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是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长，这种异质界面无处不在。

进一步地，研究人员表征了立方冰内部的常见缺陷。实验观测结合分子动力学模拟结果表明，这种富缺陷的结构并不稳定，在电子束的扰动下缺陷层发生结构构型的协同扭曲乃至整体的攀爬。“这可能就是自然界中我们几乎无法看到立方冰的原因。”白雪冬说。

白雪冬介绍，不过，在微观世界中，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都保持着相当的稳定性，而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至关重要的角色。”

“现在我们已经证实，雪花并不总是‘六出’。”白雪冬说，“原位透射电镜技术在对冰的研究中还大有可为，相信每一次实验技术的进步都会带给我们全新的认识，揭开关于冰的更多谜题。”

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