2021年5月28日
当水接触到寒冷的表面时，它会冻结并变成冰——这是众所周知的事实。
Anton Tamtögl等人的研究结果使人们对冰的形成有了全新的认识:水分子在冻结成冰之前需要额外的能量。图片来源:©Lunghammer - Graz科技大学。
然而，到目前为止，实际过程及其细节仍是模糊的。
冰形成的第一步被称为“成核”，它发生在非常短的时间内，十亿分之一秒，当高度移动的单个水分子“找到彼此”并结合在一起．
Anton Tamtögl，格拉茨理工大学实验物理研究所
传统的显微镜在监测水分子的运动方面相对较慢，因此，不可能用它们来“观察”分子在固体表面积聚的方式。
这些发现颠覆了以往对冰形成的理解
Tamtögl和来自剑桥大学和萨里大学的研究团队，利用计算模拟和一种新的实验方法，成功地追踪到了石墨烯表面形成冰的最初步骤。
研究人员进行了令人难以置信的观察，发现水分子往往相互排斥，必须在冰开始形成之前获得足够的能量来克服这种排斥;换句话说，它应该在冰形成之前就变热了。这项研究发表在自然通讯日报》。
一般来说，该研究的主要作者Anton Tamtögl表示:“在冰成核过程中，水分子之间的斥力根本没有被考虑到——这项工作将改变这一切．”
跟随水分子的“舞蹈”
研究人员通过一种名为氦自旋回声(he Spin-Echo, HeSE)的技术发现了这种效应。这种方法由剑桥大学卡文迪许实验室设计，专门用于追踪分子和原子的运动。
这台机器将氦从表面的运动分子中分离出来，就像雷达测速装置中无线电波从车辆中分离出来一样。它记录了分散氦的数量和散射后的速度/能量，从而有助于跟踪分子和原子的运动。
这些实验表明，石墨烯表面的水分子，即单个碳原子层，相互排斥。这种斥力的产生是由于分子的相同排列方式，垂直于表面。
这种情况类似于把一对磁极相似的磁铁放在一起:它们会迫使自己分开。为了触发冰的成核，两个分子中的一个必须重新定位，只有这样它们才能接近彼此。但这种重新定位需要更多的能量，因此，这是一个必须解决的限制，以确保冰晶的生长。
实验结果被计算模拟所证实，在计算模拟中，水分子在不同构型下的精确能量被绘制出来，分子之间的相互作用被估计出来。
模拟也使得开启和关闭斥力成为可能，从而提供了更多的证据来证明这种效应。理论和实验技术的结合使国际科学研究人员能够揭示水分子的行为。
这是该方法第一次精确地捕捉到表面冰形成的最初步骤是如何演变的，这最终使研究小组提出了一种以前不熟悉的物理机制。
其他领域和应用的相关性
研究人员还提出，最近观察到的这种效应可能在其他种类的表面上更广泛地发生。
”我们的发现为控制结冰或防止结冰的新策略铺平了道路Tamtögl补充道，例如，考虑到电信、航空或风力发电的表面处理。
解释冰形成时的微观过程对估计冰的融化和形成(从单独的晶体到冰川和冰原)也至关重要。在这种情况下，后者对于一个人衡量与全球变暖和气候变化相关的环境变化的能力具有重要意义。
本研究已被收录在“先进材料科学”专业领域，是中国科学院五大重点研究方向之一亚博网站下载亚博老虎机网登录格拉茨科技大学．
期刊引用:
Tamtog、。等．(2021)水单体的运动揭示了石墨烯上冰成核的动力学障碍。自然通讯．doi.org/10.1038/s41467 - 021 - 23226 - 5．
来源:https://www.tugraz.at/en/