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【科技前沿】

(資料圖)

光明日報北京3月30日電（記者齊芳）冰是宇宙中最常見的固體，它們是恒星形成的基礎，也是生命之源。自然界中，冰是一種六角密堆結構的晶體，被稱為“六角冰”，這也是雪花總是六角片狀的原因。那么，自然界中，冰可能形成像鉆石一樣的立方體嗎？

來自中國科學院和北京大學的研究者，利用原位透射電鏡技術將冰的實驗研究深入到分子水平，對這個問題給出新解：水結晶也可以直接形成立方冰，而影響立方冰形成的關鍵因素可能在于無處不在的異質界面。這一成果29日在線發表在國際學術期刊《自然》上。

一直以來，科學家們對立方冰的研究花費了很大力氣，也在實驗室中制備出了立方冰，“但對于水結晶這一物理過程，人們始終難以在其分子水平上提供相應的實驗數據。因此，關于自然界中是否存在立方冰的爭議從未停止。”論文的主要完成人之一、中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員白雪冬說：“從這個角度說，具有高空間分辨率、低損傷的水結冰實時顯微成像技術就具有十分重要的意義。”

白雪冬研究員、王立芬副研究員團隊，通過發展原位冷凍電鏡，借助像差矯正透射電子顯微鏡和低劑量電子束成像技術，成功實現了以分子級分辨率觀測冰的生長結晶過程，并原位表征結構的演化。

研究人員展示了-170℃左右的低溫襯底上氣相水凝結成冰晶的過程，發現了立方冰在這種低溫襯底上的優先形核生長。分子級成像證實了水結晶可以形成各種形貌不一的單晶立方冰。而隨著時間的增加，冰晶整體中六角冰的占比逐漸增加。研究人員分析，這表明異質界面在立方冰的形成中起著重要作用。而自然界中常見的降雪大多是水分子在灰塵礦物質等表面的凝聚生長，這種異質界面無處不在。

進一步地，研究人員表征了立方冰內部的常見缺陷。實驗觀測結合分子動力學模擬結果表明，這種富缺陷的結構并不穩定，在電子束的擾動下缺陷層發生結構構型的協同扭曲乃至整體的攀爬。“這可能就是自然界中我們幾乎無法看到立方冰的原因。”白雪冬說。

白雪冬介紹，不過，在微觀世界中，無論在生長過程中還是電子束激發下，立方冰在觀測時間內都保持著相當的穩定性，而未發生向六角冰轉變的跡象。“這種結構的穩定性驗證了立方冰在水結冰過程中具有相當大的競爭力，因此可能在該過程中扮演著至關重要的角色。”

“現在我們已經證實，雪花并不總是‘六出’。”白雪冬說，“原位透射電鏡技術在對冰的研究中還大有可為，相信每一次實驗技術的進步都會帶給我們全新的認識，揭開關于冰的更多謎題。”

《光明日報》（ 2023年03月31日?08版）

來源：光明網-《光明日報》

作者：齊芳

責任編輯：馮崢

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