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秩序在冰的无序

一种材料的玻璃结构常被认为是模仿其相应的液体。冰之间的多形性已被用作阐明液态水性质的指南。但是无定形冰有多少种呢?我们知道亚稳态高压结晶冰是如何演化成热稳定的低密度冰的吗?由日本HPSTAR公司的林川龙、杨文格和萨斯喀彻温大学的约翰S.谢领导的一个国际研究小组,利用最先进的时间分辨同步x射线衍射技术,揭示了一个多步转化机制。在从亚稳态结晶冰(ice VII或ice VIII)到热力学稳定冰i的结构演化过程中,确定了一个温度/时间依赖的动力学路径,其中有三个不同的转变。最终的结果是这些过程的并置。这项研究发表在PNAS上。

水在地球上生命的起源中起着至关重要的作用。在液相中,它表现出许多不寻常的性质。在固相中,普通冰在高压下也表现出不同的相变。许多理论和实验研究致力于理解潜在的相互转换机制。到目前为止,大多数实验都是对回收样品的原位测量,缺乏伴随转变的结构演化的详细信息。以前的研究由于在广泛的压力和温度范围内监测结构的快速变化方面存在技术困难而受阻。

2017年,林和他的同事们克服了实验的挑战。通过结合现场时间分辨x射线衍射和在低温低温恒温器内不同斜坡速率的远程压力控制,进行了一系列研究来研究冰的相变。这种能力可以抑制热驱动的晶体-晶体相变[PNAS 115, 2010-2015(2018)]。对多非晶转变的复杂性有了重要的见解,如动力学控制的冰的两步非晶化。和成功的冒险进入无人的土地[物理学]。Lett. 121,225703(2018)]。

现在,他们试图回答非晶-非晶相变过程的本质究竟是什么?他们利用新开发的技术探索镜子。过程,即。由元稳定的高密度结晶冰(i。他们确定了温度/时间依赖的动力学路径,并表征了高密度非晶(HDA)-低密度非晶(LDA)转变和再结晶之间的相互作用/竞争。与先前报告的ice VII(或ice VIII)及mdash相反;LDA本;ice I转换序列,时间分辨的测量显示了一个三步过程:ice VII的初始转换为HDA,随后是HDA —LDA转变,然后LDA结晶为ice I. ice VII的非晶化和HDA到LDA转变均表现出独特的热激活机制。值得注意的是,这两个过程在持续时间上均表现出随温度变化的Arrhenius行为和过渡过程。温度在110-115 K左右。

大规模分子动力学计算也支持了他们的实验结果。此外,它表明,HDA到LDA的转变是连续的,有一个大的密度差异,并涉及到大量的水在纳米尺度的位移。这项研究提出了一个新的观点,即塑造冰转化动力学路径的亚稳态和复杂性。

参考文献:在冰的结构演化过程中,具有独特热激活机制的依赖温度的动力学路径作者林传龙、刘旭强、薛勇,View ORCID profiletse, Jesse S. Smith, Niall J. English, Wang Bihan, Li Mei, Yang Wenge Yang and Ho-Kwang, 2020年6月22日,国家科学院学报。

DOI: 10.1073 / pnas.2007959117

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