中國科大預言高密度鐵電新冰相
近日，中國科學技術大學客座教授曾曉成研究組與楊金龍/袁嵐峰教授研究組以及大連理工大學趙紀軍教授研究組合作，理論預測了一個新的高密度鐵電冰相，研究成果發(fā)表在4月26日的《自然-通訊》上。文章標題為“Room temperature electrofreezing of water yields a missing dense ice phase in the phase diagram”（《室溫電致水結冰：相圖中“遺漏”的一個高密度冰相》）。該論文的第一作者是我?；瘜W物理系博士后朱衛(wèi)多。
因為水分子之間存在氫鍵，而氫鍵的強度和位形可以在很大范圍內變動，所以水呈現(xiàn)出極其豐富的相圖。目前，實驗室中已經發(fā)現(xiàn)的不同溫度和壓強條件下的冰相多達18種。由于水分子具有偶極矩，多個水分子聚集時偶極矩可以疊加或抵消，因此有可能存在鐵電性的冰。人們已經證實冰XI相是具有較大偶極矩的鐵電相，而且認為它存在于天王星和海王星表面。然而，如果摻雜催化劑，普通結構的冰轉變成鐵電冰大約需要一萬年，因此鐵電冰相在自然界中是極為罕見的。
這項研究通過分子動力學和第一性原理的計算模擬發(fā)現(xiàn)：室溫時，在高壓和高電場強度的條件下，液態(tài)水可以自發(fā)形成一種高密度（1.27 g/cm3）的新型鐵電冰晶體—“冰χ相”（圖1）。自由能計算表明，在水相圖上的一個高壓低溫區(qū)，冰χ相是最穩(wěn)定的結構。它位于冰II相和冰VI相之間，與冰V相接鄰（圖2）。在這個意義上，冰χ是一個“被遺漏”的冰相。對此的一個可能的解釋是：冰χ相的成核/生長需要非常高強度的電場。
我們可以回顧一下人類在實驗室中發(fā)現(xiàn)十六種冰相的百年簡史：冰II和冰III相是1900年在德國發(fā)現(xiàn)的；冰IV-VII相是1912-1937年間在美國發(fā)現(xiàn)的；冰VIII相是1966-1968年間在加拿大發(fā)現(xiàn)的；冰X相是1984年在德國發(fā)現(xiàn)的；冰XI相是1984年在日本發(fā)現(xiàn)的；冰IX相是1993年在英國發(fā)現(xiàn)的；冰XII-XV相是1998-2009年間在英國發(fā)現(xiàn)的；冰XVI相是2014年在德國發(fā)現(xiàn)的；最近的冰XVII相是2016年在意大利發(fā)現(xiàn)的。到目前為止，尚沒有中國發(fā)現(xiàn)的冰相。
鐵電冰χ相的預言不僅豐富了水在高壓區(qū)域的相圖，而且為尋找稀有的鐵電冰結構提供了理論指導。如果未來在實驗室中確實觀察到這種鐵電性冰χ相，不僅將增加人們對水科學的濃厚興趣，而且冰χ相將有可能成為冰相XVIII，從而填補中國發(fā)現(xiàn)冰相歷史中的空白。
該項工作得到中國科學院、國家自然科學基金委和國家重點研究開發(fā)計劃項目的資助。
論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09950-z
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