3月29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)與北京大學(xué)物理學(xué)院教授王恩哥、研究員陳基合作，在《自然》雜志在線發(fā)表文章，成功實(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，發(fā)現(xiàn)水結(jié)晶可以形成單晶立方冰，并展示了立方冰晶中存在兩種不同的缺陷結(jié)構(gòu)。

　　冰是物態(tài)最豐富的晶體之一，在目前已發(fā)現(xiàn)的二十種晶相中，僅有六角冰和立方冰可能存在于地球環(huán)境下。其中六角冰廣泛存在于自然界和人們?nèi)粘Ｉ钪校⒎奖欠翊嬖陂L(zhǎng)期以來(lái)具有爭(zhēng)議。

　　王立芬解釋，在實(shí)驗(yàn)室中，由于生長(zhǎng)過(guò)程常伴隨缺陷，傳統(tǒng)的衍射手段難以將立方冰與堆垛無(wú)序冰(六角冰與立方冰在堆垛面隨機(jī)分布的特殊結(jié)構(gòu))區(qū)分開(kāi)來(lái)，人們始終難以給出水結(jié)晶可以形成立方冰的直觀證據(jù)。

　　基于像差矯正電鏡和低劑量電子束成像技術(shù)，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(guò)程，發(fā)現(xiàn)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。同時(shí)，隨著時(shí)間增加，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(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)，這種異質(zhì)界面無(wú)處不在。

　　進(jìn)一步地，研究人員表征了立方冰內(nèi)部的常見(jiàn)缺陷。根據(jù)是否引進(jìn)堆垛無(wú)序晶疇為標(biāo)準(zhǔn)，研究人員將立方冰內(nèi)部的常見(jiàn)缺陷分為了兩類，并利用電子束的激發(fā)效應(yīng)探究了堆垛無(wú)序晶疇部分的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)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(dòng)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。

　　這項(xiàng)研究創(chuàng)造性地利用透射電鏡對(duì)冰的形成以及動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行高分辨直接成像，以直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)了水結(jié)晶可以形成單晶立方冰，有望促進(jìn)對(duì)冰與自然界關(guān)系的新認(rèn)識(shí)。王立芬告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，我們利用透射電鏡將冰的實(shí)驗(yàn)研究深入到分子水平，這也為其他結(jié)構(gòu)敏感材料的研究提供了新思路。(來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 劉如楠)