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凝胶样冰是迄今发现最轻的水(图)
2017-09-11 阅读次数:

冰,不仅仅只有一种。

图片来源:Kjell Suwardi Linder/Getty

  人们从冰箱中取出的冰块仅是冰存在的17种可能的形式之一,第18种冰距离成为现实也并不遥远。一个研究团队发现了一种多孔的、轻量级的“气态冰”——气凝胶的冰,它可以让人们了解更多关于水如何在极端条件下运行的知识。

  在“常态冰”中,水在环境压力下冷却,其分子会冰冻成六角形态的固态晶体。但并非所有种类的冰都会遵循这种六角形结构。压力和温度会影响水在分子层面的数以百万计的配置。六角冰和大气层上方偶尔的立方体冰是地球上自然出现的仅有的两种该类冰的形式。其他的冰或存在于外行星,或存在于外行星大气层。

  在大气压或更高的压力下,水分子会被压缩,然后冰冻会变为比常规冰密度更大的固态。然而当气压降低时,水分子会变成类似冰冷的棉花糖一类的密度更低、气体更多的轻量态晶体。

  到目前为止,人们仅知道两种低密度的冰:太空的富勒烯(球壳状碳分子)密度相当于常态冰的80%;和沸石化的冰,它模仿了含矿物质的沸石,但水分子却是像乐高积木塔一样的构建模块,是常态冰密度的50%和90%。但在此之前却未发现更轻的冰结构。

  “近期,我们刚发现两种低密度冰,但却不知道这个世界的广度。我们需要一张这个新世界的地图,从而在实验上探索它。”日本冈山大学的Masakazu Matsumoto说。

  他和团队采用玩分子“层层叠”的方式找到这种新种类的冰,去除及重新配置现有的沸石冰的结构,使它们变得更轻。他们模拟了300多种不同种类的纳米层次结构,并评估了这些结构在低压下有多稳定。这些气态冰在0开尔文度时是稳定的,但会随着温度增加变得不稳定。

  他们发现,密度最小的气态冰可以用水分子的节点配置作为模型,它们像珠子一样把在大型气态宫殿中的地面和天花板分隔开来。

  Matsumoto认为,通过计算机建模,可以发现更多类似的冰,但他表示,在现实世界中很难创建超低密度的冰,因为需要低压和低温等条件。

  英国伦敦大学学院的Christoph Salzmann说,这项工作有助人们了解水分子如何运动。“它给我们提供了追逐的目标。现在,这些研究人员已经预测了这些惊人的结构,我们的下一步将是在现实世界中制作它们。”他说。(晋楠)

 

作者:作者:晋楠 文章来源:科学网(2017/9/10)
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