选取单晶冰特定表面的新方法来了

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近日，塔夫茨大学的研究人员找到了一种可以选取单晶冰特定表面的方法，有助于解决气候环境方面的问题，相关研究成果已发表在美国国家科学院院刊PNAS上。

“无处不在的小冰晶与一些重要的环境基础问题有关，但是直到现在我们还没有找到合适的复制冰晶表面方法来用于实验研究，”来自塔夫茨大学艺术与科学学院的化学系教授Mary Jane Shultz博士说道，“这种选取特定晶面的新方法为那些与我们极为相关的研究领域开启了一扇新的大门。”


举例来说，这个发现有助于研究人员弄清楚“蒸汽和冰晶是怎样在云里相互作用产生雨”、“污染物如何吸附于冰晶”、“为什么没有两片雪花是相同的？”等问题。Shultz认为，这些答案可能对人造云、环境保护等重要问题都会有所启示。


自二十世纪三十年代以来，科学家一直在寻找一种可靠的方法来制备冰晶表面，并且Shultz本人也在15年前开始做这方面的研究。Shultz博士说到，“要得到一块具有特定表面的冰晶，这很难并且极具挑战性，之前生长制备晶体的方法并不可靠，实验结果也不具可重复性。”


这些局限性阻碍了科学家研究冰的分子结构与动力学特征。由于我们对冰的了解不够透彻，使得我们对冰在环境中所起的作用知之甚少，像“通过外层空间运输物质”、“塑造地球表面”、“处理平流层上的臭氧空洞”这些问题都还没有研究清楚。


2013年，Shultz的实验室发明了一台特殊的设备，可以做出大块单晶冰样品，但是如何选取特定的晶面仍旧是个难题。


Shultz把她的研究突破归因于简单的几何三角函数。最常见的冰是由水分子规则重复排列形成的六方晶形，她发现通过某些测量和计算，可以确定晶体的晶格取向。由于晶格取向与晶面有关，所以，利用取向就可以精确地切割晶体的任何表面。


可以选取所需的晶面是十分重要的，研究人员不仅可以了解分子层面的动力学及结构，还可以了解分子在晶体中是如何与特定晶面结合的。