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雪花是天空中的水汽經(jīng)凝華而來(lái)的固態(tài)降水，結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而變化，多呈六角形，像花。這是因?yàn)樵谧匀唤缰斜且环N屬于六角密堆結(jié)構(gòu)的晶體，這種微觀的分子排布決定了宏觀上冰晶的形貌往往具有六次對(duì)稱性。我們將這種晶體結(jié)構(gòu)的冰稱為“六角冰”。

但在自然觀察中可以看到，實(shí)際上雪花并不總是“六出”。諾貝爾獎(jiǎng)得主Linus Pauling基于剩余熵理論曾預(yù)言立方冰的存在。1943年德國(guó)科學(xué)家通過(guò)電子衍射最早報(bào)道了立方冰結(jié)構(gòu)。后來(lái)人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中通過(guò)各種方法如凍結(jié)納米液滴法、離解氣體水合物法、納米限域結(jié)晶法等方式制備出立方冰。種種實(shí)驗(yàn)跡象以及理論計(jì)算認(rèn)為，冰在形核結(jié)晶過(guò)程中可能更傾向于形成立方冰，再轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?jiàn)的六角冰。故在較長(zhǎng)一段時(shí)間中，關(guān)于水結(jié)晶領(lǐng)域的研究集中于立方冰的制備與表征。

然而，研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室中無(wú)論通過(guò)何種方法制備的立方冰，其衍射峰總是偏離理想的面心立方的衍射特征，說(shuō)明其并不是純相的立方冰。嚴(yán)格地說(shuō)，也許自然界并不存在所謂的“立方冰”，也可能是密堆面上立方冰與六角冰隨機(jī)堆垛的一種特殊結(jié)構(gòu)。由于缺乏更進(jìn)一步的表征手段，這始終存在爭(zhēng)議。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員白雪冬、副研究員王立芬團(tuán)隊(duì)，通過(guò)發(fā)展原位冷凍電鏡，借助像差矯正透射電子顯微鏡和低劑量電子束成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以分子級(jí)分辨率觀測(cè)冰的生長(zhǎng)結(jié)晶過(guò)程，并原位表征結(jié)構(gòu)的演化。

研究展示了-170℃左右的低溫襯底上氣相水凝結(jié)成冰晶的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了立方冰在這種低溫襯底上的優(yōu)先形核生長(zhǎng)。分子級(jí)成像證實(shí)了水結(jié)晶可以形成各種形貌不一的單晶立方冰。而隨著時(shí)間的增加，冰晶整體中六角冰的占比逐漸增加。研究分析提出，這表明異質(zhì)界面在立方冰的形成中起著重要作用。而自然界中常見(jiàn)的降雪大多都是水分子在灰塵礦物質(zhì)等表面的凝聚生長(zhǎng)，且這種異質(zhì)界面無(wú)處不在。

研究人員觀察到，無(wú)論在生長(zhǎng)過(guò)程中還是電子束激發(fā)下，立方冰在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)均保持著相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，未發(fā)生向六角冰轉(zhuǎn)變的跡象。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)證了立方冰在水結(jié)冰過(guò)程中具有相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，因此可能在該過(guò)程中扮演著重要的角色。

該研究展示了利用原位透射電鏡技術(shù)將冰的實(shí)驗(yàn)研究深入到分子水平。

相關(guān)研究成果Tracking cubic ice at molecular resolution于近日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然》(Nature)上。

參考資料來(lái)源：中科院物理研究所

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