当科学家探测限制时，冰球和液体水的共存在纳米级探讨

最小的冰粒子有多小？它不是雪花，以一英寸的倍数测量。根据2019年11月4日公布的新研究，在国家科学院的诉讼程序中，冰可以形成的最小的纳米水上，冰可以形成为90个水分子 - 最小病毒的大小。在那些小鳞片上，犹他大学化学教授和学习共同作者Valeria Molinero，冰和水之间的过渡得到了一点炎热。

“当你有一杯用冰水，你看不到玻璃上的水转动所有冰和所有液体的时间，”她说。在最小的水纳米橄榄球中，她说，这正是发生的事情。

为什么“冰我”问题

水和冰之间的过渡是我们星球上的阶段（固体，液体和气体）之间最重要的转变，在那里它对我们的气候有独特的影响，同时还规范了生命的可行性。了解导致冰形成的条件，是在包括环境和地球科学，物理，化学，生物学和工程的地区的积极任务。

地球上存在冰几乎完全是以高度有序的六角形晶体结构，称为“冰I”。在我们的大气中，小水簇形式，随后冻结，播种较大的晶体，最终云。然而，由于竞争热力学效应，这些水簇不能形成热力学稳定的冰I.通过实验和理论研究了能够形成稳定冰的水簇的精确尺寸范围，多年来，最近的估计缩小了从低至90个水分子的范围高达400。

过冷：低矮的

在过去，在实验研究这个极限的主要屏障已经冷却过冷却液体簇足够慢以允许冰晶格正确地形成。冷却太快地产生了无定形冰块的簇，较少的阶段。如果簇不缓慢且均匀地冷却，结果是冰相的不自然组合。计算机模拟冰形成也面临着复制纳米级物理和冰形成的挑战。

在新的研究中，犹他大学的研究人员，加州大学SanDöttingen大学太阳能系统研究和动态和自我组织的SanTingsteniensoversitätGöttingen，在Göttingen的自我组织中结合了仿真和实验的最新进展，以解散在纳米尺寸簇中起作用于冰液过渡的约束之间的相互作用。

为了克服冷却问题，Göttingen团队使用通过最初通过大约60微米直径的喷嘴扩展水和氩气的混合物而产生所需尺寸的分子束。然后将所得梁通过三个不同的区域漏斗，其中冷却速率掉落以控制簇的形成，达到150k（-123c或°-189f）的低°温。San Diego和犹他州队开发的计算机模型用于模拟纳米轧件的性质。

冰结束

研究人员在实验和理论方法之间发现了对群中的冰I过渡到冰I的过渡。结果提供了强有力的证据表明当簇大约90个水分子约时，会发生“冰结束”。在这种尺寸，簇的直径仅为2纳米，或者比典型的雪花小约100万次。

San Diego大学的FrancescoPaesani在圣地亚哥解释说：“这项工作以一致的方式连接了研究过去三十年的微观水景的实验和理论概念，现在可以在共同的视角下看到。”

意外振荡

出乎意料地，研究人员在模拟和实验中发现，冰的共存在来自90至150个水分子的簇中的群体不同，我们从宏观，定义的熔化过渡到0℃的宏观（大°规模）冰和水的经验。 。发现群集在液体和冰态之间的一系列温度和振荡中，它们在第一次预测到三十年前第一次预测的效果，但缺乏实验证据。

Thomas ZeuchUniversitätGöttingen的注意事项“宏观系统没有类似的机制;水是液体或固体。这种振荡行为似乎是这种尺寸和温度范围内的簇的独特。“

“我们在宏观世界中相中的经验中没有这样的振荡！”Molinero补充道。在一杯水中，她说，无论冰块的大小，冰和水都稳定，也可以共存。但是在含有液体和冰的纳米射波中，大多数水分子将在冰和水之间的界面处 - 因此整个两相簇在固体和液体之间变得不稳定并且振荡。

当冰变得奇怪的时候

实验中的尺寸和温度的水簇在星际物体和行星大气中常见，包括我们自己的Molinero说。它们也存在于介质圈，其平流层上方的大气层。

“它们也可以作为蛋白质中的材料矩阵中的水袋存在，”她说。

如果可以控制振荡过渡，Molinero说，它们可以想到，可以想到的是纳米阀的基础，纳米阀允许当液体时通过材料通过并且当固体时停止流动。

结果只超越了冰和水。Molinero表示，小规模的现象应该在同一尺度的任何物质上发生。“在那意义上，”她说，“我们的工作超越了水，并且更普遍地看起来更普遍上的阶段过渡的CoDa，它如何从锐化转变为振荡，然后阶段本身消失，系统表现为大分子。”

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参考：“冰我的末端”由Daniel R. Moberg，Daniel Becker，Christopher W. Dierking，Florian Zurheide，Bernhard Bandow，Udo Buck，Arpa Hudait，Valeria Molinero，Francesco Paesani和Thomas Zeuch，2019年11月4日，国家诉讼程序科学院.DOI：
10.1073 / PNAS.1914254116

由犹他大学提供。由Daniel Moberg的材料改编。