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【科技前沿】

(資料圖)

光明日報北京3月30日電（記者齊芳）冰是宇宙中最常見的固體，它們是恒星形成的基礎(chǔ)，也是生命之源。自然界中，冰是一種六角密堆結(jié)構(gòu)的晶體，被稱為“六角冰”，這也是雪花總是六角片狀的原因。那么，自然界中，冰可能形成像鉆石一樣的立方體嗎？

來自中國科學院和北京大學的研究者，利用原位透射電鏡技術(shù)將冰的實驗研究深入到分子水平，對這個問題給出新解：水結(jié)晶也可以直接形成立方冰，而影響立方冰形成的關(guān)鍵因素可能在于無處不在的異質(zhì)界面。這一成果29日在線發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然》上。

一直以來，科學家們對立方冰的研究花費了很大力氣，也在實驗室中制備出了立方冰，“但對于水結(jié)晶這一物理過程，人們始終難以在其分子水平上提供相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。因此，關(guān)于自然界中是否存在立方冰的爭議從未停止。”論文的主要完成人之一、中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員白雪冬說：“從這個角度說，具有高空間分辨率、低損傷的水結(jié)冰實時顯微成像技術(shù)就具有十分重要的意義。”

白雪冬研究員、王立芬副研究員團隊，通過發(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)，成功實現(xiàn)了以分子級分辨率觀測冰的生長結(jié)晶過程，并原位表征結(jié)構(gòu)的演化。

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

進一步地，研究人員表征了立方冰內(nèi)部的常見缺陷。實驗觀測結(jié)合分子動力學模擬結(jié)果表明，這種富缺陷的結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，在電子束的擾動下缺陷層發(fā)生結(jié)構(gòu)構(gòu)型的協(xié)同扭曲乃至整體的攀爬。“這可能就是自然界中我們幾乎無法看到立方冰的原因。”白雪冬說。

白雪冬介紹，不過，在微觀世界中，無論在生長過程中還是電子束激發(fā)下，立方冰在觀測時間內(nèi)都保持著相當?shù)姆€(wěn)定性，而未發(fā)生向六角冰轉(zhuǎn)變的跡象。“這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗證了立方冰在水結(jié)冰過程中具有相當大的競爭力，因此可能在該過程中扮演著至關(guān)重要的角色。”

“現(xiàn)在我們已經(jīng)證實，雪花并不總是‘六出’。”白雪冬說，“原位透射電鏡技術(shù)在對冰的研究中還大有可為，相信每一次實驗技術(shù)的進步都會帶給我們?nèi)碌恼J識，揭開關(guān)于冰的更多謎題。”

《光明日報》（ 2023年03月31日?08版）

來源：光明網(wǎng)-《光明日報》

作者：齊芳

責任編輯：馮崢

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