NATURE Materials报道北大量子中心王恩哥合作研究成果

最近,《自然》子刊NATURE Materials以Article文章发表了北京大学国际量子材料科学中心、物理学院王恩哥教授与博士生潘鼎(中国科学院物理研究所)和英国伦敦大学学院研究人员合作的最新成果。继发现冰表面氢原子的有序分布之后[1],该研究再次取得重要进展。他们首次证明冰表面分子空位形成能的分布范围非常大,这项研究将有助于理解冰的预融化现象和冰的晶体生长过程。

冰是地球上最丰富、最重要的物质之一,对人类乃至整个生物圈具有极其重要的影响。尽管冰是一种生活中最常见的物质,但其表面性质长期以来一直是学术界争论不休的问题。王恩哥项目组首次证明冰表面分子空位形成能的分布范围非常大。例如,在冰的同一表面上,某些分子空位形成能可以仅是其它空位的1/3, 大概只有0.1 ~ 0.2 eV。理想晶态冰表面上的空位形成能范围甚至同无定形冰相当。这个结论表明,冰表面上的空位数比之前人们估计的要多得多,从而使冰晶颗粒在物理化学反应中比原来预计的要更加活泼。导致这一反常现象的根本原因是由于冰表面有效电荷所引起的局域电场,它直接影响着表面层水分子的电偶极矩,进而对不同的表面位置可以给出非常不同的空位形成能。这项研究成果说明,晶体冰作为一个典型的几何受抑材料(geometrical frustrated material),在其表面会表现出一些极端反常现象。这一系列的研究预示着对于其它受抑材料(例如自旋冰),也可能在界面处表现出完全不为人知的物理化学性质。

这项研究得到了国家自然科学基金委的部分资助。

[1] Ding Pan, Li-Min Liu, Gareth A. Tribello, Ben Slater, Angelos Michaelides, and Enge Wang, Phys. Rev. Lett. 101, 155703 (2008).

[2] M. Watkins, D. Pan, Enge Wang, A. Michaelides, J. VandeVondele and B. Slater, NATURE Material (online 10.1038/NMAT3096, 04 September 2011).




图:冰表面水分子偶极矩的空间分布。(A)冰(0001)表面的俯视图,偶极矩的大小通过小球的颜色表示,从红色到蓝色,偶极矩由小变大。(B)和(C)分别是(A)中的两个例子,显示局域电场(淡蓝色箭头)如何影响水分子自身的偶极矩(黑色箭头)。

 

编辑:素馨

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