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自古以来冰便是一种具有独特性质的引人入胜的物质引起了人们的兴趣

自古以来,冰便是一种具有独特性质的引人入胜的物质,引起了人们的兴趣。与大多数其他材料不同,非常低的温度下的冰不是有序的。在意大利国家高级管理学院(SISSA),阿卜杜斯萨拉姆国际理论物理中心(ICTP),罗萨里奥物理研究所(IFIR-UNR)之间进行的合作,并得到了意大利国家物质研究中心的支持研究委员会(CNR-IOM)在发生这种情况的原因以及可以弥补某些遗漏订单的方式上取得了新的理论突破。在这种有序状态下,科学家团队描述了一种非常晦暗但又非常基本的低温冰的特性:铁电。结果发表在PNAS上可能延伸到冰面,这可能与星际空间中冰粒的聚集有关。

SISSA和ICTP的物理学家Alessandro Laio解释说:“在一块理想有序的冰块中,每个水分子的氢原子都应指向同一方向,就像排在他们前面的士兵一样。” “如果是这样的话,冰将表现出宏观的极化作用-它将是铁电的。相反,即使在非常低的温度下,冰中的水分子也会表现得像不守规矩的士兵,而且都朝着不同的方向看。”

莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)在1930年代通过实验发现了这种异常行为,该现象立即得到了著名的解释:缺乏纪律性是“冰规则”约束的结果-每个氧原子在任何时候都应具有两个且只有两个质子才能使之^ h 2 O.由约束创建的困难动力学导致订购过程变得缓慢无限,作为一个排,每个士兵有四个邻居,不得不保持两只手对他们俩的肩膀上。

“不是因为杂质或缺陷而发挥了显著作用,今天,人们仍然不知道质子顺序和块状结晶冰的铁电性是否是真实的可能性或想象的虚构,因为无论是实验还是模拟都不能SISSA,ICTP和CNR-IOM Democritos的物理学家Erio Tosatti指出。

实际上,杂质,例如用一种KOH代替H 2 O,实际上允许有序过程成核,冰在非常低的温度下变成有序的和铁电的,尽管只是部分而缓慢。再一次,人们怀疑“冰规则”是该过程缓慢的背后原因,但确切的运作方式尚不清楚。

ICTP的准成员Alessandro Laio和Erio Tosatti都是阿根廷IFIR-UNR的Jorge Lasave和Sergio Koval共同设计的理论模型和策略,可以解释纯冰和掺杂冰的行为。

科学家解释说:“根据这种模型,一旦将杂质引入到初始的非平衡低温无序状态中,它就可以作为有序相的种子,但是以一种特殊的方式:不是所有的'士兵'周围的杂质开始朝正确的方向看,而只是杂质前面或后面的那些。因此,在过程结束时,只有排内的一连串士兵会被命令。” 这种高度非典型的过程具有许多特征,可以解释真实掺杂冰中铁电序的缓慢和不完全发作。

“尽管目前的研究仅限于散装冰,” Tosatti和Laio总结道,“强调的机制很可能会延伸到冰表面,在这里,有序质子串可能在低温下成核,这解释了众所周知的少量局部铁电体极化,这种现象也被认为可能与星际空间中冰粒的聚集有关。”

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