物理学充满了奥秘。要找到一些值得探索的东西，只需看看冰块即可。当然，在室温下，立方体会在你眼前融化。但即使远低于冰点，冰也会以几乎难以察觉的方式发生变化，科学家们仍在试图了解这一点。使用美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的成像工具，研究人员发现了一种称为预熔化的现象，其温度远低于之前观察到的温度。

预融化是一块冰即使在寒冷晴朗的日子也会很滑的原因。尽管该地点被冻结，但表面的某些部分是湿的，这是迈克尔·法拉第(MichaelFaraday)在1800年代中期首次提出的想法。冰上预融化的液体状层的想法引发了其他长期存在的问题，即水如何从液体转变为固体再转变为蒸汽，以及在某些条件下如何同时转变为这三种状态。

在最近的研究中，科学家们检查了在-200华氏度以下形成的冰晶。该团队使用美国能源部科学办公室用户设施阿贡纳米材料中心(CNM)来生长和观察冰纳米晶体，其直径仅为百万分之十米。

除了揭示低于冰点温度下水的性质外，它还展示了一种在分子细节上检查敏感样品的方法：低剂量、高分辨率透射电子显微镜(TEM)。TEM将电子流(亚原子粒子)引导到物体上。探测器通过拾取电子从物体上散射的方式来创建图像。

“有些材料对电子束敏感。当你使用电子束对它们进行成像时，它们可能会被改变或破坏，”阿贡国家实验室材料科学家、该论文的主要作者文建国说。电子束敏感材料的一个例子是电解质，它在电池中交换带电粒子。”能够在不破坏其结构的情况下对其进行精细研究可能有助于开发更好的电池。

但首先，研究人员正在冷冻水中试验低剂量TEM技术。毕竟，水既便宜又丰富。不仅如此，文说，“冰的成像非常具有挑战性，因为它在高能电子束下非常不稳定。如果我们成功地在冰上演示这项技术，对其他电子束敏感材料进行成像将是小菜一碟。””

低剂量技术将CNM的像差校正TEM与专门的直接电子探测相机相结合。该系统能够非常有效地捕获撞击样品的每个电子的信息，因此可以使用更少的电子获得高分辨率图像，从而比传统的TEM方法对目标造成的损坏更小。

低水平的电子暴露使得在原位或其环境中捕获像冰晶这样精致的东西成为可能。研究小组使用液氮在130开氏度(即负226华氏度)的温度下在碳纳米管上生长冰晶。

之前的研究观察到预熔化接近水的三相点。在三相点，温度仅比冰点高一点点，压力足够低，冰、液体和水蒸气可以同时存在。在低于三相点的温度和压力下，冰直接升华成水蒸气。

水行为的“规则”通常被巧妙地总结在一个简单的相图中，该相图描绘了水在不同温度和压力组合下的不同状态。

“但现实世界比这个简单的相图复杂得多，”阿贡材料科学家、该论文的另一位通讯作者周涛说。“我们表明，预熔化可能发生在曲线上很远的地方，尽管我们无法解释原因。”

在实验过程中拍摄的视频中，可以看到当冰在恒压下加热到150开尔文(即负190华氏度)时，两个独立的纳米晶体相互溶解。尽管仍远低于冰点，但冰形成了一层类似液体的层。这种超粘性水并未在相图的简单线条中得到解释，其中水直接从冰变成蒸汽。

这项研究提出了可以在未来工作中探索的有趣问题。研究人员看到的液体层的确切性质是什么?如果压力和温度一起升高，会发生什么?这项技术是否为一睹“无人区”(过冷水突然从液体结晶成冰的状态)铺平了道路?长达几个世纪的对水的多种状态的科学探究仍在继续。

与Wen和Zhou的合著者有来自阿贡国家实验室的LeiYu、T​​homasGage、SuvoBanik、ArnabNeogi、HenryChan、Xiao-MinLin、MartinHolt和IlkeArslan;武汉大学的林玉林和雷艾文;和伊利诺伊大学芝加哥分校的内森·罗森曼(NathanRosenmann)。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：