雪花并不總是“六出” 中科院利用原位電鏡確認立方冰
【化工儀器網 項目成果】雪花是天空中的水汽經凝華而來的固態降水，結構隨溫度的變化而變化，多呈六角形，像花。這是因為在自然界中冰是一種屬于六角密堆結構的晶體，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稱性。我們將這種晶體結構的冰稱為“六角冰”。
但在自然觀察中可以看到，實際上雪花并不總是“六出”。諾貝爾獎得主Linus Pauling基于剩余熵理論曾預言立方冰的存在。1943年德國科學家通過電子衍射最早報道了立方冰結構。后來人們在實驗室中通過各種方法如凍結納米液滴法、離解氣體水合物法、納米限域結晶法等方式制備出立方冰。種種實驗跡象以及理論計算認為，冰在形核結晶過程中可能更傾向于形成立方冰，再轉變為常見的六角冰。故在較長一段時間中，關于水結晶領域的研究集中于立方冰的制備與表征。
然而，研究發現，在實驗室中無論通過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，說明其并不是純相的立方冰。嚴格地說，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堆垛的一種特殊結構。由于缺乏更進一步的表征手段，這始終存在爭議。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員白雪冬、副研究員王立芬團隊，通過發展原位冷凍電鏡，借助像差矯正透射電子顯微鏡和低劑量電子束成像技術，實現了以分子級分辨率觀測冰的生長結晶過程，并原位表征結構的演化。
研究展示了-170℃左右的低溫襯底上氣相水凝結成冰晶的過程，發現了立方冰在這種低溫襯底上的優先形核生長。分子級成像證實了水結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。研究分析提出，這表明異質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都是水分子在灰塵礦物質等表面的凝聚生長，且這種異質界面無處不在。
研究人員觀察到，無論在生長過程中還是電子束激發下，立方冰在觀測時間內均保持著相當的穩定性，未發生向六角冰轉變的跡象。這種結構的穩定性驗證了立方冰在水結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重要的角色。
該研究展示了利用原位透射電鏡技術將冰的實驗研究深入到分子水平。
相關研究成果Tracking cubic ice at molecular resolution于近日發表在國際期刊《自然》(Nature)上。
參考資料來源：中科院物理研究所
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