物理学院三束实验室
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赵纪军教授课题组与中科大、美国内布拉斯加大学合作,预测高密度铁电新冰相


 

近日,大连理工大学三束实验室赵纪军教授课题组与中国科学技术大学杨金龙/袁岚峰教授课题组、美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授课题组合作,理论预测了一个新的高密度铁电冰相,研究成果以“Room temperature electrofreezing of water yields a missing dense ice phase in the phase diagram”(《室温电致水结冰:相图中遗漏的一个高密度冰相》)为论文标题,发表在426日的《Nature Communications》(《自然通讯》)上。论文的共同第一作者是中科大朱卫多、大连理工大学黄盈盈、内布拉斯加大学朱重钦,共同通讯作者是赵纪军教授、袁岚峰教授、曾晓成教授。

论文全文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-09950-z

众所周知,水分子之间存在氢键,而氢键的强度和位形可以在很大范围内变化,因此水呈现出极其丰富的相图。目前,实验室中已经发现的不同温度和压强条件下的冰相多达18种。由于水分子具有偶极矩,多个水分子聚集时偶极矩可以叠加或抵消,因此有可能存在铁电性的冰。人们已经证实冰XI相是具有较大偶极矩的铁电相,而且认为它存在于天王星和海王星表面。然而,如果不掺杂催化剂,普通结构的冰转变成铁电冰大约需要一万年,因此铁电冰相在自然界中是极为罕见的。

本研究通过系统的第一性原理计算和分子动力学模拟发现:室温下,在高压和高电场强度的条件下,液态水可以自发形成一种高密度(1.27 g/cm3)的新型铁电冰晶体—“χ(图1)。自由能计算表明,在水相图上的一个高压低温区,冰χ相是最稳定的结构。它位于冰II相和冰VI相之间,与冰V相接邻(图2)。在这个意义上而言,冰χ是一个“被遗漏”的冰相。对此的一个可能解释是:冰χ相的成核/生长需要非常高强度的电场。

除了自然界常见的Ih相冰,一百多年来人类在实验室中发现的17种冰相分别是由德国、美国、加拿大、日本、英国、意大利等国科学家发现的。迄今为止,尚没有中国科学家发现的冰相。铁电冰χ相的预言不仅丰富了水在高压区域的相图,而且为寻找稀有的铁电冰结构提供了理论指导。如果未来在实验室中确实观察到这种铁电性冰χ相,不仅将增加人们对水科学的浓厚兴趣,而且冰χ相将有可能成为冰XVIII相(即冰的第19个相),从而填补中国发现冰相的空白。

本项研究,是大连理工大学赵纪军教授与内布拉斯加大学曾晓成教授合作发现负压下水的低密度笼形冰相的延续,该成果已于2016年发表在《Science Advances》(《Science》杂志子刊)上,论文全文链接:http://advances.sciencemag.org/content/2/2/e1501010

本研究得到了中国科学院、国家自然科学基金委和国家重点研究开发计划项目的资助。

 

 

 

04月28日



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