結晶冰中,如何讓無序的水分子「聽令」?

2021-01-13 騰訊網

冰是一種具有獨特性質的迷人物質。與大多數物質不同的是，即使在極低溫度下，冰也無法達到預期中的有序狀態。《美國國家科學院院刊》近期發文稱，義大利國際高等研究院（SISSA）、阿卜杜斯 薩拉姆國際理論物理中心（ICTP）和物理研究所（IFIR-UNR）在義大利國家研究委員會（CNR-IOM）的支持下，對導致造成冰的奇異無序現象的原因進行了研究。他們發現，在特定條件下，冰能夠恢復部分有序性。研究人員描述了有序狀態下低溫冰的鐵電性。

「在一塊理想有序的冰中，每個水分子的氫原子都會指向同一方向。」SISSA和ICTP物理學家Alessandro Laio解釋，「如果事實果真如此，冰應該會表現出宏觀電極化，即鐵電性。然而，即便在很低的溫度下，冰中的水分子也會『不守規矩』，朝著不同方向無序排列。」

20世紀30年代，Linus Pauling在實驗中發現了冰的這種反常行為，並提出了著名的「冰規則」——不論何時，每個氧原子有且僅有兩個質子與之結合形成水。這種「約束動力學」導致有序化過程變得無限緩慢。SISSA、ICTP和CNR-IOM物理學家Erio Tosatti說：「如果不是雜質的作用，我們至今都無法驗證質子有序和冰的鐵電性的真偽。因為無論是實驗還是模擬，都無法突破『冰規則』的限制。」

事實上，如果已知雜質（如KOH）取代了水，有序化過程在極低溫度下會出現成核現象，並使冰緩慢變成部分有序的鐵電體。研究人員懷疑「冰規則」可能是這一情況的誘因，但確切原理還是一個謎。

Laio 在Jorge Lasave和Sergio Koval的協助下，設計了一種理論模型來解釋純冰和摻雜冰的行為。Laio解釋：「模型結果顯示，一旦雜質被引入初始失衡的低溫無序狀態，它將成為有序狀態萌發的種子。但是這種有序態有點特殊，只有雜質前後的水分子才能找到正確的朝向。因此，在過程的最後時刻，只有一部分水顯示出了有序性。這種非典型過程的很多特徵可以用於解釋摻雜冰的緩慢有序化行為和不完全的鐵電有序性。」

新研究強調的機制可能會被拓展至冰表面，用於解釋部分鐵電極化現象（這種現象可能與宇宙空間的冰粒聚集現象相關）。

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責編：陳之涵

期刊來源：《美國國家科學院院刊》

期刊編號：0027-8424

原文連結：

https://phys.org/news/2020-12-disorder-crystalline-ice.html

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