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单层螺旋冰的发现

水是自然界最神奇的物质之一。每个水分子由一个氧原子通过共价键连接两个氢原子构成,其中氧通过共享氢的电子呈电负性,而氢原子带正电。因此,水分子具有很强的极性,可与周围水分子通过库伦相互作用形成氢键。每个氢键的键能大约是水分子单个共价键键能的1/30。强共价键与较弱氢键的无限组合使得水的结构和状态极为丰富,在常温范围即可以气、液、固三种形态存在。2005年《科学》杂志将水的结构是什么成列为人类面临的125个基本问题之一。


固体表面的水在日常生活中随处可见。理解水在固体表面的微观结构对促进生物功能体系、新型能量转换、水润滑等领域的认识与发展具有重要的科学意义。固体表面不仅会约束水分子的空间排列,还会与水之间形成显著的界面作用。后者更是与水中的氢键作用相互耦合,导致固体表面会出现奇特的冰结构。


近日,南京航空航天大学张助华教授(点击查看介绍)和郭万林教授(点击查看介绍)团队基于自主编写的结构搜索程序并结合第一性原理计算,发现了一种新的二维冰结构。该模型构成单元中的六个水分子沿法线方向呈螺旋状排列,被称为“单层螺旋冰”。单层螺旋冰的氢键网络是由三配位和四配位的水分子混合而成,且氢键的几何结构与理想情况较为接近。因此,在相当大的水分子密度范围内,这种单层螺旋冰无论在真空还是在弱相互作用的基底上都比之前报道的所有单层和双层冰结构都更稳定。尤为特别的是,这种螺旋冰在晶格常数、水密度和模拟的摩尔纹图案等方面都与最近实验报道的非共边六方单层冰结果相符(Phys. Rev. Lett., 2018, 121, 256001)。该模型的螺旋特征与之前报道的一维冰结构中螺旋结构有类似性,有助于进一步认识受限条件下氢键的奇特性质。

二维螺旋冰的结构示意图


该研究成果改变了人们对二维冰结构的传统认识,对材料科学、摩擦学、生物学等领域中的科学问题的研究有着的重要的指导意义。论文发表于The Journal of Physical Chemistry Letters,第一作者为许莹博士,通讯作者为张助华教授和郭万林院士,共同作者还包括轩啸宇


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A Helical Monolayer Ice

Ying Xu, Xiaoyu Xuan, Zhuhua Zhang, Wanlin Guo

J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 3860-3865, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01129


导师介绍

张助华

https://www.x-mol.com/university/faculty/48489

郭万林

https://www.x-mol.com/university/faculty/37831


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