K. Mochizuki研究员课题组ACS Nano:多孪晶冰纳米晶

化学系Kenji Mochizuki(望月建尔)研究员以及课题组博士生张玄，与合作者日本冈山大学M.Masakazu(松本正和)教授、厦门大学张志森教授，利用分子动力学模拟揭开了多晶雪晶体中相邻枝晶之间总是呈70.5°角这一现象背后的谜团。研究成果以“多孪晶冰纳米晶体（Multitwinned ice nanocrystals）”为题，于2024年10月18日在线发表于ACS Nano。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.4c07226。

图1. 多孪晶冰纳米晶体中的层级结构与多晶雪的形成

早在公元前的西汉时代，《韩诗外传》中就指出：“凡草木花多五出，雪花独六出。”雪的基本形状是六角形，相邻枝晶间夹角呈60°。而在多晶雪中，相邻枝晶的之间却总是呈70.5°，这一现象自上世纪70年代被发现，至今仍是未解之谜。多晶雪70.5°角的形成反映着云中分子层面发生的变化，这些微物理过程--特别是水团簇的相变，是各种大气现象的起源。然而，自然界中的这些过程涉及许多复杂现象，包括温度、压力和密度的空间梯度，以及潜热/冷却、闪电等复杂因素。在实验中，研究空中的纳米级水滴仍然是一个重大的技术挑战。因此，计算模拟成为解决这些问题的主要工具之一。

在这项研究中，团队模拟了纳米液滴自发形成多孪晶冰纳米晶体（图1）的过程，为多孪晶冰纳米晶体的存在提供坚实证据。随后基于自由能计算严格评估了多孪晶冰纳米晶体的热力学稳定性，并在不同纳米晶体尺寸下与常见冰的稳定性进行比较，揭示了多晶雪中70.5°现象中的分子机制（图1）。

本文的通讯作者为化学系望月建尔研究员，第一作者为化学系博士生张玄。感谢课题组其他成员以及相关领域的各位同行对课题开展提供的帮助。本课题受国家自然科学基金(NSFC 22273083, 22250610195, 1190430)支持。

Multitwinned ice nanocrystals

Xuan Zhang, Masakazu Matsumoto, Zhisen Zhang and Kenji Mochizuki*

ACS Nano

DOI: 10.1021/acsnano.4c07226

文   字：Kenji研究员课题组

编   辑：黄珍珍、张维娅、邹尔纯

审   核：林旭锋

终   审：丁立仲