冰晶的惊人特性：柔韧性与延展性的发现

来自 实验室仪器网

你可能会认为关于水没有什么值得惊讶的发现。毕竟，几个世纪以来，研究人员一直在研究它的特性。

但今天，能源部实验室的研究人员报告了一项新发现。尽管冰形成完美的六边形晶格，但它的柔韧性和延展性却出奇地强，这解释了为什么冰经常被困住气泡。

这些发现来自对液态水中冻结的纳米级冰样本的首次分子分辨率观察，这些观察今天发表在《自然通讯》杂志上。

我们观察到溶解的气体不仅会在冰晶中产生空腔，而且还会迁移、与其他气泡合并并溶解——这种行为只有由于冰中结合的不寻常性质才有可能，这项工作的首席研究员说。这项工作开辟了一个全新的机会，可以探索冰的结晶和融化行为，其规模在几年前是无法想象的。

该研究可能对保存深度冷冻（低温）生物组织样本、预测航空和车辆安全的冰行为以及了解冰川的运动等研究领域产生深远的影响。

到目前为止，还没有人能够直接观察到水分子从液态水到冰的转变。这是因为科学家用来观察单个原子的技术涉及恶劣的条件，包括使用高能辐射和去除所有空气（真空密封）。虽然研究人员在分子尺度上生成了一些冰的图像，但这些冰并不能反映地球上正常的冻融循环。它是通过直接从蒸汽到固体的快速冷冻产生的。

为了避免这些问题，研究小组将液态水夹在薄碳膜之间，这被证明是导致这一成像突破的关键因素。然后他们开发了一种新技术，即低温液态电池透射电子显微镜，以跟踪冷冻过程。

这些膜可以保护冰晶免受高真空和辐射的影响，使我们能够获取具有原子级信息的图像。

究结果表明，当液态水变成固体冰时，其晶体结构的缺陷或滞留的气泡不会对冰晶造成太大的应变，从而导致破裂。与其他固体（如金属或矿物）相比，它能够以惊人的轻松方式适应缺陷的存在。水的化学键的性质使其具有非凡的柔韧性和延展性，甚至像固体冰一样。这一新观察结果，加上冰的密度低于液态水这一关键事实，是支持地球上生命的特性，尤其是海洋中的生命。

研究人员还直接观察了指导各种尺度冰晶形成的几何形状和力，包括雪花的形成。虽然雪是由水蒸气而不是液态水形成的，但同样的潜在力量在起作用。

为了证实他们的实验观察结果，科学家与实验室研究人员合作，他们使用机器学习开发了高精度的冰分子动力学模型。实验与理论模型预测之间的比较证实，冰在固体中是独一无二的，因为它对缺陷的耐受性而不会影响冰晶结构的完整性。

当团队在纳米尺度上研究冰动力学时，其他研究人员发现冰川中气泡的存在极大地影响了它们的行为。最近，科学家们表明，与无气泡的冰相比，如果冰川含有气泡，冰川融化的速度是冰川的两倍多。其他科学家正试图避免在脆弱的组织样本或飞行中的飞机上形成冰。

这项研究的下一步包括研究熔化和处理更复杂的样品，包括含有溶解物质的水。

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