今日Nature快報：刷三觀——六邊形冰晶或非最穩定結構

【前言】

水結冰對于地球氣候變化而言有著重要的影響，因此，精確預報天氣與氣候需要對冰成核速率有著很好的預測。這種速率預測主要基于傳統的成核理論，即假定塊狀冰中六邊納米晶是熱動力學最穩定的結構形式。然而，經過對多種水模型的模擬分析，發現在常溫下冰的成核與生長是所有尺寸無序堆疊的，包括了立方和六邊冰層的隨機排列。這意味著由于不平衡的動力學特性，冰晶無序堆疊可能是較六邊冰晶更為穩定的一種冰晶形式。

【成果簡介】

美國猶他大學Valeria Molinero（通訊作者）等人基于mW水模型（“冰中的熱動力學堆疊層錯”方法）利用取樣和自由能計算證實了當晶體尺寸增加至100000個分子以上時，立方和六邊冰層的混合熵使得無序堆疊的冰成為更穩定的相。230K時，無序堆疊的晶粒較六邊晶粒要穩定14 KJ/mol，成核速率也較基于傳統成核理論要快至少3個數量級。成核速率受溫度影響，這在全球氣候變暖的條件下影響下尤為顯著，也可能會影響到云的形成以及冰顆粒數量的模型。因此作者認為當從實驗條件轉變為云中發生的溫度時，要分析外推冰的成核速率，傳統的成核理論需要進行修正，應考慮冰晶尺寸對結晶的驅動力的影響。北京時間2017年11月9日，相關研究報道以題為“Role of stacking disorder in ice nucleation”在Nature上在線刊登。

【圖文導讀】

圖一、230 K冰核的反應坐標和自由能曲線

圖二、臨界冰核隨機選擇，圖示尺寸與自由能曲線選點對應

圖三、成核與生長過程中冰晶的穩定性和立方性

文獻鏈接：Role of stacking disorder in ice nucleation（Nature，2017，Doi:10.1038/nature24279）

本文由材料人學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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