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极端环境下水分子特性

日搭建迄今最轻冰结构 有助揭示极端环境下水分子特性

 

图为三种沸石结构的冰,其每个顶点和边分别被一个水分子和氢键取代,可看作是超网络组合多面体。FAU、 RHO和ITT分别为六角形、八角形和四方柱状组合。

科技日报北京9月11日电 (记者 聂翠蓉)据《新科学家》杂志网站近日报道,日本科学家通过计算机模拟,发现了300多种全新冰结构,多孔超轻类似气凝胶,其空间网状结构中充满气体分子,而外表呈固体状,并发现迄今密度最小(即最轻)的固体水结构,研究这些新结构有助于揭开水分子在低温低压等极端环境下的性质。

人们一般认为,冰块是由水冷却而成的固态晶体,晶格呈六角形结构。但其实,并非所有的冰都是这种六角形结构,科学家们已经从实验上验证了17种冰结构的存在,这些不同于常规冰的结构一般存在于外行星或外行星大气层中。

水分子在比大气压更高的压力下被压缩时,其形成的冰块会比常规冰的密度更大;而当气压极低时,水分子会变成类似棉花糖、充满气体、密度更低的晶体结构。现已发现两种低密度冰结构:密度为常规冰80%的太空富勒烯状冰块,以及结构像沸石矿的沸石冰,其内的水分子模块就像乐高积木塔一样,密度为常规冰的50%到90%。

发表在最新一期《化学物理学杂志》上的研究论文称,日本冈山大学科学家松本正和(音译)及其同事利用一种类似分子积木游戏的计算机模型,发现了第18种可能存在的冰结构。他们以沸石冰为基础,像玩积木一样,将沸石冰中的某些结构移走,换成其他的结构模块,从而让其越变越轻。最终他们模拟出300多种密度更小的纳米冰结构,并发现这些结构在低压和接近绝对零度(-273.15℃)条件下能保持稳定。

松本表示,他们通过模拟分子积木,已经搭建出迄今密度最小的气凝胶样冰结构,由于这种结构只能在低温低压等极端条件下稳定存在,要在现实世界合成极为困难。他说:“不过,我们的研究为低密度冰块描绘了一幅蓝图,下一步就是如何在实验室合成出这些惊人的结构,揭示水分子在外太空的性质之谜。”

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[责任编辑:李鹭]
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