【冰物理高中语文作文类型】进展|表面的新二维冰盖

了解固体表面的水结构对防腐、润滑、渗透、异构催化剂等的研究具有重要意义。一般来说，在金属表面，由于衬底的强烈吸附作用和水分子之间氢键作用的竞争和平衡，水分子形成了六边形排列的“双层冰”结构，即最常见的冰盖Ice-Ih。在活性更强的表面，水分子也会分解。但是，在吸附作用较弱的疏水表面(如石墨)上，水分子有什么特殊的结构和动力学就不得而知了。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点研究所SF10组博士生徐志玉在孟胜研究院的领导下，与西南大学物理科学技术学院王俊忠教授指导的研究组、物理所吴克辉研究院、清华大学安奇坤教授合作，发现少数省份的石墨表面可能形成由水分子6元环组成的新二维冰盖。相关成果最近发表在物理评论快报杂志《Physical Review Letters》上。

水分子吸附在石墨衬底上后，形成稳定的六元环，通过环之间的氢键形成六元环的自组装结构(图1)。理论上模拟的扫描隧道微图像(图1c)与实验观察(图1d)非常一致。根据第一性原理计算，自组装单层冰是高吸附密度稳定的单层冰结构(图1e)。进一步分析表明，随着自组装结构吸附密度的增加，六元环内的结合基本不变，六元环之间的结合逐渐增加，证实了六元环的自组装行为。模拟时间达到20ps的初级原理分子动力学计算表明，自组装单层冰具有良好的力学稳定性(图1f)。同时，势能表面的平坦石墨表面对单层冰的束缚能力较弱，单层冰在衬砌中可能会发生整体转换和扭转，形成多种摩尔条纹结构(图2a-b)。模拟很好地再现了这种摩尔条纹结构(图2d)。

这个新发现的自组装二维冰结构和高压下稳定的冰盖Ice-II有很大的相似性。Ice-II有两个不相等的六元环作为基本构造单位，分别是平面水环和椅子型水环。这里的自组装冰是由完全平坦的水环组成的(图3)。地层能量计算表明，自组装单层冰和二维Ice-II冰盖具有相似的轮廓和最小位置，表面上自组装冰比二维ice-II冰盖更稳定。这表明新发现的自组装冰是ice-II的二维平面变形。该研究发现石墨衬底可以对表面结构施加有效的“压力”，形成高压冰盖，这也是实现高压研究的新手段。

这项工作得到了科技部重点研究开发计划(2016年YFA0300902、2015CB921001)和国家自然科学基金委员会(11574253、11374242、11604269、11474328)的支持。

参考文献：

X.Zhang、j.y.xu、y.b.tu、k.sun、m.l.tao、z.h.xiong、k.h.wu

图1。石墨内衬表面形成的单层自组装冰结构。

图2。石墨衬底上自组装的冰形成的摩尔条纹。

图3。(a)自组装冰和(b)ice-II的结构比较。

编辑：AI

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