冰缠绕

经过 菲尼亚桑德斯

冻水在高压下限时局限于微小的空间时接管复杂的多螺旋形状

化学 物理

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3月至2007年4月

第95卷,2号

对于简单的氢和氧原子的集合,水在冷冻时具有令人惊讶的扭曲曲目曲目。它在压力下特别好。在大量的数量中,有15种已知形式的冰,其中仅几分之一发生在正常大气压下。 “内布拉斯加州大学的化学家萧诚曾,有很多关于水的东西。”曾曾决定在这种情况下被迫进入显微镜遏制时冰的行为,进入小于2纳米的碳纳米管。他和他的同事Jaeil Bai和Jun Wang发现,当它被推入一个紧张的地方时,冰有一个全新的曲目。

图像由内布拉斯加州大学研究办公室提供。

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曾和他的同事使用超级计算机来模拟限制在碳纳米管内的水分子的分子动力学。几年前,本集团在这些近距离的四个新的距离中为四种新型冰的模型产生了较低的压力 - 仅几十次大气压。现在,几个群体已经通过实验证明,当在这种条件下水在碳纳米管中冷冻时,实际存在这些模型形式的冰。但由于散装冰在高压下有这么多的形式,曾和他的同事希望看到冰也会如何在纳米管上挤压挤压。

2006年12月26日,版本 美国国家科学院学会诉讼程序, 曾曾的小组报道,它们已经模拟使冰纳米管中的冰进行10至40,000个大气压的压力。每个实验的反应时间不超过几十纳秒。调查人员预计冰将简单地卷成管状结构 - 对于六个所产生的阶段中的四个,这是这种情况。但对于两组参数,冰自发地将自身转变为具有多个股线的嵌套螺旋。

在1.35纳米的管中,在负9华氏度和40,000大气压的压力下,冰变成双螺旋,除了外护套具有八个股线,内层具有四个。在相同温度下的1.9纳米管的另一模拟中,当压力突然从10个大气压升高到8,000时,水突然冻结成具有三层壁的螺旋形成。在这种情况下,最外壁有18条股线,两个冰鞘嵌在其中嵌入其中六个。 “它们与辫子相互交织在一起,”曾先图。 “在最大的压力下,我们惊讶地发现螺旋是冰最稳定的冰形成。”

高压力强制大量的水分子将自己包装到碳纳米管中。曾怀疑螺旋可能是分子以极度密度安排自己尽可能紧凑的有效方法。还涉及氢键。从内链与外壁中的氢脱离,并且每个水分子更喜欢在四面体结构中粘合到另外的四个。

实验需要几年时间来确认Zeng之前的碳纳米管中的低密度冰型号,在实验室中创造比电脑的高压更具挑战性,但Zeng希望新的高密度充满希望冰结构最终将在实验室中找到。如果是这样,这将使冰的已知扭曲总数带到大约25种不同的结构。

因为这些冰结构组装的方式与某些蛋白质的组装类似,所以有一些希望可以应用新的研究来了解基本的生物过程,例如与疯牛病和其他疾病相关的蛋白质误用。而且,因为水分子自发地将自己组装成这种复杂的布置,所以Zeng的结果也可能有助于在纳米级上制造复杂的材料。 “这种冰冰是一定数量的数万分子的合作排列。他们必须以凝聚力的方式行事,形成这种独特的结构。它不像在强债券已经连接的聚合物,”曾说。

但曾本人对自己的缘故更多地了解更多关于水的人:“水和生命齐头并进,所以这是我们研究它的最重要的原因。”

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