中国科大等预言高密度铁电新冰相

2019-04-29 16:52:08 vela 4

近日,中国科学技术大学客座教授曾晓成研究组与杨金龙/袁岚峰研究组以及大连理工大学赵纪军研究组合作,理论预测了一个新的高密度铁电冰相,研究成果发表在426日的《自然-通讯》上。文章标题为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》)。该论文的第一作者是中国科大化学物理系博士后朱卫多。

  因为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动,所以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。

  这项研究通过分子动力学和第一性原理的计算模拟发现:室温时,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——“冰χ相”(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,冰χ是一个“被遗漏”的冰相。对此的一个可能的解释是:冰χ相的成核/生长需要非常高强度的电场。

  回顾一下人类在实验室中发现十六种冰相的百年简史:冰II和冰III相是1900年在德国发现的;冰IV-VII相是1912-1937年间在美国发现的;冰VIII相是1966-1968年间在加拿大发现的;冰X相是1984年在德国发现的;冰XI相是1984年在日本发现的;冰IX相是1993年在英国发现的;冰XII-XV相是1998-2009年间在英国发现的;冰XVI相是2014年在德国发现的;最近的冰XVII相是2016年在意大利发现的。到目前为止,尚没有中国发现的冰相。

  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相将有可能成为冰相XVIII,从而填补中国发现冰相历史中的空白。

  该项工作得到中科院、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。

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