Визуализация структуры поверхности и предварительного плавления льда Ih с атомным разрешением
Команда физиков, связанных с несколькими институтами в Китае, раскрыла причину скользкости льда. В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа использовала атомно-силовую микроскопию, чтобы поближе рассмотреть поверхность льда при разных температурах. Исследователи начали с охлаждения льда внутри камеры микроскопа до -150°C, а затем использовали микроскоп для изучения его атомной структуры . Они могли видеть, что внутренний лед (известный как лед Ih) и лед на поверхности были разными. Лед Ih, как и ожидалось, был уложен в виде шестиугольников. Лед на поверхности, напротив, был лишь частично шестиугольным. Затем исследователи слегка повысили температуру в камере, что привело к еще большему беспорядку, поскольку различия в форме стали более выраженными. Затем команда создала симуляцию, показывающую, как такой беспорядок повлияет на поверхность в целом: она показала, что беспорядок распространяется по всей поверхности, придавая льду вид жидкости, который будет скользким, если наступить на него.
Граничная структура между доменами укладки Ih и Ic на поверхности (0001) гексагонального льда.
Фото: Природа (2024 г.). DOI: 10.1038/s41586-024-07427-8
Предыдущие исследования и множество неофициальных данных показали, что лед скользкий, даже когда температура значительно ниже точки замерзания. Исследования показали, что это происходит из-за предрасплавленного покрытия, которое образуется на поверхности и служит смазкой.
В этом новом исследовании исследовательская группа использовала атомно-силовой микроскоп, оснащенный атомом угарного газа на кончике, чтобы лучше рассмотреть структуру обычного льда и его предварительного покрытия.
Исследователи начали с охлаждения льда внутри камеры микроскопа до -150°C, а затем использовали микроскоп для изучения его атомной структуры. Они могли видеть, что внутренний лед (известный как лед Ih) и лед на поверхности были разными.
Лед Ih, как и ожидалось, был уложен в виде шестиугольников. Лед на поверхности, напротив, был лишь частично шестиугольным. Исследователи также обнаружили дефекты во льду на границе между двумя типами льда, которые возникли, когда лед разных форм встречался друг с другом.
Затем исследователи слегка повысили температуру в камере, что привело к еще большему беспорядку, поскольку различия в форме стали более выраженными. Затем команда создала симуляцию, показывающую, как такой беспорядок повлияет на поверхность в целом: она показала, что беспорядок распространяется по всей поверхности, придавая льду вид жидкости, который будет скользким, если наступить на него.
Исследовательская группа объясняет, что причина, по которой их эксперименты проводились при таких низких температурах, заключалась в том, что микроскоп должен был работать в вакууме; более высокие температуры привели бы к сублимации, что затруднило бы изучение льда на атомном уровне.
Они также отмечают, что планируют продолжить свое исследование, используя короткие лазерные вспышки для нагрева льда в течение очень коротких промежутков времени, что позволит им увидеть, что происходит в более теплых условиях.
