Redian新闻
>
今日Nature: 原位透射电镜捕捉立方冰

今日Nature: 原位透射电镜捕捉立方冰

科学

海归学者发起的公益学术平台

分享信息,整合资源

交流学术,偶尔风月

水结冰是自然界气候变化的基本过程,准确的天气预报以及气象分析都需要基于对水结冰过程的正确认识。然而,目前广泛采用的水结冰过程物理模型还是基于经典形核理论,即假设水结晶直接形成自然界最常见的稳定相六角冰。这一假设近年来受到多个理论研究结果的挑战,其争议的核心之一在于水结晶能否形成半稳相立方冰。但在实验室中,不论是样品制备或者是晶体学表征领域,都难以提供纯相立方冰的直观证据。


针对这一科学问题,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心白雪冬研究员、王立芬副研究员团队与北京大学王恩哥院士、陈基研究员团队合作,借助像差矫正透射电镜对低温下水蒸汽的形核结晶过程进行分子级成像,发现了立方冰的踪迹。该研究结果以“Tracking cubic ice at molecular resolution”为题发表在Nature上,物理所王立芬副研究员为文章共同第一作者(2/3)和通讯作者,物理所博士生黄旭丹(1/3)和北京大学博士生刘科阳(3/3)同为第一作者,北京大学陈基研究员、王恩哥院士和中科院物理所白雪冬研究员为文章共同通讯作者。


自然界中常见的降雪大多都是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长。受此启发,研究人员将单层石墨烯、超薄非晶碳膜等电子束透明材料作为衬底,利用液氮将其降温到102K左右,使镜筒中的残存微量气相水冷凝到衬底表面形核结晶;接着使用低剂量电子束成像技术对该过程进行原位成像研究。分子级成像显示,气相水沉积吸附到低温衬底上后首先凝聚成无序的非晶固态水;随后逐渐有晶核形成,进而结晶生长。在这些纳米级冰晶核中,绝大多数是类金刚石的面心立方结构,即立方冰。
 

图1. a, b:立方冰晶体结构示意图,和原位冷冻电镜实验设计图。c,d:系列立方冰形核结晶高分辨像; e:立方冰颗粒生长速率图; f:电子能量损失谱.

研究人员对大量单颗粒的立方冰晶粒的生长过程进行了持续追踪,观察到各种形貌各异、解理面平整、未有可见缺陷的单晶立方冰颗粒,且在生长过程中并未向六角冰转变。此外,实验中也观察到各种具有不同缺陷的立方冰颗粒。研究人员对立方冰中的常见缺陷进行了分类,以是否引进堆垛无序畴为标准,将立方冰中的缺陷构型分为了堆垛面上的面缺陷(类型1)和堆垛无序畴(类型2)两类。
 

图2. 立方冰中的常见缺陷.

进一步地,研究人员增加电子束剂量,观察立方冰缺陷在电子束辐照下的动态行为。原位高分辨图像显示,第二类缺陷在电子束激发下构型逐渐扭曲,朝着第一类缺陷演变。分子动力学模拟也进一步证实了这一缺陷结构动力学演变路径。
 

图3. 堆垛无序冰在电子束激发下的结构演变

该研究通过发展原位电镜技术,在透射电镜中构筑原位冷冻气相沉积环境,实时观测气相水冷凝成冰的微观过程,追踪立方冰的形核生长;同时结合分子动力学模拟,系统表征了立方冰的微观结构和缺陷动态行为。以直观的实验证据确认了低温气相沉积过程中单晶立方冰的形成,澄清了水结晶是否能形成单晶纯相立方冰的这一争议。

上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大专项、中科院青促会等基金的支持。

 

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05864-5


点击下方知社人才广场,查看最新学术招聘

扩展阅读

 
今日Science:北大/北师大发现核量子效应诱导二维新冰
手抓饼包围芝加哥:饼冰是个什么东西?
水可以到零下44度才结冰?| 近期科技趣评
科学家在石墨烯气泡中发现拉曼震荡环
本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容
媒体转载联系授权请看下方

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。
相关阅读
新作速览|溜进办公空间的宝可梦们 :Creatures办公空间 / nendo5篇Nature和2篇Nature Medicine预测肺癌细胞的未来行为景美和Big Picture两校搬迁尘埃落定!抓紧时机为Bellevue综合规划和Wilburton愿景实施发表意见!突破600亿立方米!沁园春 雪Meet the Editor Pushing to Turn the Page on Women’s LiteratureAmart Furniture季中促销:最高50%折扣!有沙发、客厅&餐厅家具、卧室家具、户外家具、床垫、办公家具等真要飞满100年!美军B-52的新发动机展开测试,要原位换装TruEdu Academy 阅读俱乐部课程介绍 - Level 4 Future PresidentRedmi Note12 Turbo今日开售,1999 元起中科大崔林松教授与剑桥大学Neil C. Greenham教授团队《Nature》:高亮度、高效率和高稳定性的近红外钙钛矿LED精选SDE岗位 | Samsung Research America、Revature持续热招!FastTrack Universität 2023莱比锡大学公立语言项目招生简章基于冷冻电镜解析发现,首个最清晰的LRP2蛋白结构亮相Cell,有望为阿尔茨海默病等提供新靶点Amart Furniture季中促销:最高50%折扣!有沙发、客厅&餐厅用具、卧室用品、床垫、家居装饰、窗帘、户外家具等PNAS丨李赛课题组利用cryo-ET解析新冠病毒Delta变异株的原位结构和膜融合机制餐厅、客厅、卧室、办公家具等最高50%折扣!@ Amart FurnitureAgustín Hernández:中美洲建筑背景下的未来主义巨构今日Nature: Ising超导体中的轨道Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov相诺奖得主详解:冷冻电镜如何引发分辨率革命两篇Nature论文打架:云南大学最新Nature论文指出两年前Nature重磅研究有误匹兹堡记事 - 2022.12.27 不能凑合的公寓里程碑突破!山西大学,今日重磅《Nature》!祝贺!甘地是希特勒的好朋友?重访西班牙(7)-迦太基的司令部三大洲科学仪器揭示世界首例持续活跃快速射电暴的磁场反转US Returns Two Stolen Relics Worth $3.5 Million to ChinaChinese Teams in Turkey: Rescue Over but Relief Will Take Years水木未来:推动AI+冷冻电镜更加可及,为药物研发点亮明灯洛杉矶海边Nature:George Church 团队改造可防止任何已知病毒感染的大肠杆菌,或可提供一种生物体防病毒感染通用策略An invitation to fluorescent party for only returnees like you!半年前惨遭Nature撤稿,“室温超导”今日卷土重来How Liang Qichao Rewrote China’s Future能装下20座帝国大厦,沙特造立方体城市,雪山、火星都能“秒达”
logo
联系我们隐私协议©2024 redian.news
Redian新闻
Redian.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Redian.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。