令人震惊的发现：Anton Tamtögl和他的同事们发现要使水在较低温度的石墨烯上结冰，需要对它施加一定的热量。（图片来源：Lunghammer/TU Graz）
一个国际研究小组发现，较冷表面上的水分子需要一定的热量才可结冰。他们在最新的实验中发现，水分子在寒冷的石墨烯表面上最初是处于互相排斥的状态，直到有额外的能量使它们重排并形成静电键。这些发现填补了我们对冰的形成的认知空缺——并可能引出控制冻结过程的新方法。
当液态水接触到寒冷的表面时，它们可以通过成核的过程快速结冰。在这个过程中，单个的水分子相互结合，形成更大的固体晶体。虽然成核现象已经在宏观尺度上有了较为广泛的研究，但是它在分子尺度上的研究却较为困难。因为在这一尺度下，这一过程发生在仅数皮秒之间，这对于传统的仪器来说太快了。
图片来源：Pixabay
最近，由剑桥大学（现在在格拉茨理工大学）的安东•塔姆托格尔（Anton Tamtögl）以及萨里大学的马可•萨基（Marco Sacchi）带领的研究团队通过使用一种名为氦-3自旋回波的技术观察到了分子尺度上的成核现象。这项技术最初在剑桥大学开发，技术包括从表面分子中散射一束自旋极化氦原子。原子以波包的形式到达表面，波包之间以皮秒为单位被规律间隔开来。分子在表面的运动造成了连续散射波包的相位差异，这一现象是用自旋回波技术检测到的。
偶极排斥力
实验表明，水分子最初以相同的方向附着在低温的石墨烯表面上：两个氢原子靠近表面，而氧原子则高于表面。水分子是电偶极子（氧气端带负电荷，氢气端带正电荷），所以在这些类似取向的分子之间存在着偶极静电排斥，抑制了成核。研究小组发现这种成核阻碍现象只有通过对分子进行加热才能够被克服，对分子施加一定的热量可以使其改变方向，进而它们的相反带电极可以相互吸引，引发成核。
冰晶 （图片来源：Pixabay）
为了理解这一现象，塔姆托格尔和他的同事们通过计算机模拟出了在不同的能量条件下吸附水分子之间的相互作用。正如他们所期望的那样，改变施加的热量大小能够控制成核现象的发生和终止——这与实验观察到的结果是一致的。
这项研究结果能够为控制风力涡轮机、飞机和电信设备的结冰现象提供新的技术支持。这些发现也为冰川和冰盖中冰的形成和融化过程提供更为深刻的理解，使研究人员能够更好地量化气候变化对低温层的影响。
作者：Sam Jarman
翻译：仇艳菲
审校：董子晨曦
引进来源：physicsworld.com
京公网安备11010502039775号
