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二號站登錄測速顛覆傳統的理解!水需要一些熱量才能結冰

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當與寒冷的表面接觸時,水會凍結并變成冰,這是眾所周知的事實。但是,確切的過程及二號站登陸測速鏈接微觀細節仍然難以捉摸。格拉茨大學實驗物理研究所的安東·坦托格(AntonTamt?gl)解釋說,冰形成的第一步被稱為“成核”,發生在難以置信的短時間內,即高度流動的單個水分子的十分之一秒的十分之一秒“找到對方”并合并。傳統的顯微鏡太慢,無法追蹤水分子的運動,因此不可能用它們來“觀察”分子在固體表面上的結合方式。

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AntonTamt?gl等人的研究結果使人們對冰的形成有了全新的認識:水分子在凍結成冰之前需要更多的能量。

研究結果顛覆了以往對冰層形成的理解

借助新的實驗技術和計算模擬,Tamt?gl和來自劍橋大學和薩里大學的一組研究人員得以追蹤石墨烯表面結冰的第一步。在《自然通訊》上發表的一篇論文中,他們觀察到,即水分子相互排斥,并且需要獲得足夠的能量來克服這種排斥,然后才能開始形成冰:可以說,冰形成之前必須先變熱。

主要作者安東·坦特格(AntonTamt?gl)表示,從一般意義上來說,在冰核形成過程中,根本沒有考慮過水分子之間的排斥-這項工作將改變所有這一切。

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跟隨水分子的“舞蹈”

這種效應是通過一種稱為氦自旋回波(HeSE)的方法發現的,該方法是由劍橋卡文迪許實驗室開發的一種技術,專門用于跟蹤原子和分子的運動。該機器從表面上移動的分子中散射出氦氣,類似于無線電波在雷達測速儀中從車輛散射出氦氣的方式。通過記錄散射后氦的數量及二號站登陸測速鏈接散射后的能量/速度,可以追蹤原子和分子的運動。

HeSE實驗表明,石墨烯表面(即碳的單原子層)上的水分子相互排斥。排斥由于分子垂直于表面的相同排列而產生。該場景類似于將兩個具有相同磁極的磁鐵放在一起:它們將彼此分開。為了使冰成核開始,兩個分子之一必須重新定向,然后它們才能彼此接近。這種重新定向需要額外的能量,因此代表了冰晶生長必須克服的障礙。

通過對不同構型的水分子的精確能量進行映射并計算彼此接近的分子之間的相互作用的計算模擬,證實了實驗結果。而且,模擬允許“排斥”開和關,從而進一步證明了這種效果。實驗和理論方法的結合使國際科學團隊得以闡明水分子的行為。它首次捕捉到了表面冰形成的第一步是如何演化的,并讓他們提出了以前未知的物理機制。

與二號站登陸測速鏈接他領域和應用的相關性

該小組進一步表明,新觀察到的效應可能在二號站登陸測速鏈接他表面上更廣泛地發生。Tamt?gl說,我們的發現為控制結冰或防止結冰的新策略鋪平了道路。例如,他想到了專門針對風能,航空或電信的表面處理。

了解冰形成過程中的微觀過程,對于預測從單個晶體到冰川和冰蓋的冰的形成和融化也是必不可少的。后者對于我們量化與氣候變化和全球變暖有關的環境轉變的能力至關重要。


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