今日Nature快报：刷三观——六边形冰晶或非最稳定结构

【前言】

水结冰对于地球气候变化而言有着重要的影响，因此，精确预报天气与气候需要对冰成核速率有着很好的预测。这种速率预测主要基于传统的成核理论，即假定块状冰中六边纳米晶是热动力学最稳定的结构形式。然而，经过对多种水模型的模拟分析，发现在常温下冰的成核与生长是所有尺寸无序堆叠的，包括了立方和六边冰层的随机排列。这意味着由于不平衡的动力学特性，冰晶无序堆叠可能是较六边冰晶更为稳定的一种冰晶形式。

【成果简介】

美国犹他大学Valeria Molinero（通讯作者）等人基于mW水模型（“冰中的热动力学堆叠层错”方法）利用取样和自由能计算证实了当晶体尺寸增加至100000个分子以上时，立方和六边冰层的混合熵使得无序堆叠的冰成为更稳定的相。230K时，无序堆叠的晶粒较六边晶粒要稳定14 KJ/mol，成核速率也较基于传统成核理论要快至少3个数量级。成核速率受温度影响，这在全球气候变暖的条件下影响下尤为显著，也可能会影响到云的形成以及冰颗粒数量的模型。因此作者认为当从实验条件转变为云中发生的温度时，要分析外推冰的成核速率，传统的成核理论需要进行修正，应考虑冰晶尺寸对结晶的驱动力的影响。北京时间2017年11月9日，相关研究报道以题为“Role of stacking disorder in ice nucleation”在Nature上在线刊登。

【图文导读】

图一、230 K冰核的反应坐标和自由能曲线

图二、临界冰核随机选择，图示尺寸与自由能曲线选点对应

图三、成核与生长过程中冰晶的稳定性和立方性

文献链接：Role of stacking disorder in ice nucleation（Nature，2017，Doi:10.1038/nature24279）

本文由材料人学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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