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赵纪军教授课题组在Science子刊预言低密度冰相


发布时间:2016-02-18    来源:    点击量:



    三束材料改性教育部重点实验室主任赵纪军教授领导的课题组,与美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授等人合作,从理论上预言了一个稳定存在于负压下的超低密度冰相,并将之命名为s-III”笼形冰相。该成果以“A new phase diagram of water under negative pressure: The rise of the lowest-density clathrate s-III”为题,发表在2016年2月12日出版的《 Science Advances》(美国《Science》杂志子刊)上,论文第一作者为我校博士研究生黄盈盈。

    水是生命之源,地球表面有71%的地方被水所覆盖。水冰不仅在地球上是一种极其丰富和重要的资源,也广泛存在于太阳系内的木星、土星、天王星和海王星等巨行星及其卫星,以及宇宙中的彗星、小行星上。因此,水冰的研究对于宇宙的认知以及人类的生存与发展均具有极为重要的意义。

    由于水分子之间独特的氢键作用,水冰展现出极其复杂的相图。目前共有17种冰相结构在实验上被证实。2014年,《Nature》杂志报道了较低密度笼形结构冰相(即冰的第17相)的实验合成,采用了“s-II”型笼形水合物移除氖客体分子的方法。受此启发,黄盈盈等人采用在水笼骨架中加入客体分子的搜索方法,从理论上预言了“s-III”笼形冰相,它是一种具有高对称性的立方晶体结构。与目前所有已知的冰相相比,“s-III”笼形冰相具有超低的密度(0.593 g/cm­­3),这源于作为结构单元的超大水笼结构。计算表明,“s-III”笼形冰相在动力学上是稳定的,且在水冰的相图中占据了较低的负压区域。此发现丰富了水在负压下的相图,进一步激发了人们对负压下水行为的研究兴趣。

    考虑到“s-III”笼形冰相特有的超大空笼结构,黄盈盈等人提出在其中填充较大的客体分子如正十二烷分子。计算表明所形成的s-III型水合物是热力学稳定的,这为“s-III”笼形冰相的实验合成提供了理论基础,也预示着这种低密度笼型水合物在气体存储方面的潜在应用前景。如果在未来的实验中能够制备出“s-III”笼形冰相,它将有可能成为冰的第18相。

    本研究成果发表后,引起了国际各知名新闻媒体和科技新闻网站的广泛关注。英国《每日邮报》(Daily Mail)、美国《每日科学》(Science Daily)、《世界科技研究新闻资讯网》(Phys.Org)、《科技时代》(TechTimes)、科学新闻在线(ScienceNewsline)、爱科学新闻网(iFLScience)等,分别以“科学家发现新的冰相有可能揭示水在其他行星上的线索”、“新形式的冻结水—最新研究描述了可能的第18种已知冰相”、“科学家发现最低记录的新型冰”、“超低密度冰被提出”等为题,予以专文报道。

    《Science Advances》是国际顶级杂志《Science》旗下2015年新创办的数字化开放获取杂志,是一个涵盖所有学术领域包括计算机、工程、环境、生命、数学、物理以及社会科学的综合性科学刊物,旨在提供一个顶级的科学研究出版平台,快速发表在整个科学研究领域的高水平且在相关领域有重要进展的研究工作。本论文为我校首次以第一单位在《Science》子刊发表研究论文。

    论文全文链接:http://advances.sciencemag.org/content/2/2/e1501010

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