【多少水分子才能使冰？】

明道

【多少水分子才能使冰？】

 

具有非常不同的結構的三個不同大小的簇

沒有考慮到盡可能最小的冰晶多少水分子？

大約275：這是研究人員在德國和捷克共和國，已經開發出了有史以來第一次技術探測水分子團簇的結論。

他們的發現將有助於揭示在大氣中形成的冰。

水簇是由分子間氫鍵的水分子一起舉行集會。

到目前為止，大多數研究都集中在小群有12個分子或更少，這些對象的結構幾乎沒有相似之處散裝冰。

在過去的幾年裡，在日本的研究人員已經開發出一種基於光譜法的技術來探測含有多達50個分子的水分子簇。

然而，詳細的結構分析集群100-1000分子，被認為冰結晶發生，是這些研究鞭長莫及。

分析大量的水分子團簇的主要困難是確切地知道它們含有多少個分子。

這是通過質譜他們打高能量輻射，它可以粉碎細膩集群成片段，其中涉及電離集群。

此外，研究人員寧願研究中性比帶電水簇，因為在大部分的冰結晶過程在本質上涉及。

摻雜水分集群

現在，包括托馬斯Zeuch，德國，在哥廷根研究所獻給物理學會化學的研究人員已經找到一種方法來分析中性水簇包含數百個分子。

他們的成功在於兩個聰明的技巧。

首先，每一個水分子簇與一個單一的鈉原子摻雜。

使用這種反應性高的金屬裝置，摻雜後的水分子簇比純集群和確保電子是從鈉原子，而不是中性的水簇中解放出來更容易被電離。

第二，電離之前，摻雜集群興奮與紅外輻射。這會增加它們的溫度，從而改變它們的結構，在這樣一種方式，進一步降低了它們的電離電勢。

集群，然後可以用390納米的紫外線激光，它有足夠的能量，以避免碎片離子。這些離子化的水分子團簇的大小，利用飛行時間（TOF）質譜測定。

然後，以探討其結構，水簇的紅外光譜計算。

與波數2800和3800厘米-1之間的紅外輻射被使用，對應於氧-氫鍵的振動頻率（拉伸）。

這種振動光譜在集群內的水分子的安排提供了一個洞察。

比如，它是已知的結晶冰有一最大吸收，而在波數3200左右厘米-1無定形冰和液態水有最大值在約3400厘米-1。

打開水變成冰

Zeuch和他的同事們獲得紅外光譜範圍從85到475的分子簇大小。

正如預期的那樣，在頻譜最大值發生了轉變，向低波數簇的大小增加。

開始在約275分子從3400到3200厘米-1，與第一結晶冰發生在群集中的中心，形成一個環，六氫-鍵合的水分子在一個四面體的配置。

隨著集群規模的進一步升高，結晶的核心逐漸增長。

475分子，紅外光譜主要由冰結構的冰晶體的形成是所有，但完整。

這種行為由一組不同的研究人員在2004年的理論預測相匹配。

這不是一個驚喜，水結晶，當你匯集一定數量的水分子，說：Zeuch。

但問題是，'在哪裡會這樣呢？

我們現在已經開發出一種技術，查明的大小範圍內發生結晶。

走向平流層

這種新技術可以幫助科學家了解地球大氣層中的雲的形成過程。

有沒有直接從水分子形成冰晶成核點在平流層區域，說：Zeuch。在此過程中的動態現在可以更詳細地進行建模。

這是非常令人振奮的結果，說：弗朗切斯科Paesani，化學家在加州大學，聖迭戈，研究水分子團簇。

納米尺寸的水顆粒玩的氣氛和冰晶體可以被發現在多種雲中的重要作用，因此，了解如何結晶水分子團簇成雲形成和性質，這反過來影響地球的輻射預算和提供了根本的見解氣候。

Zeuch也認為，這項研究將幫助科學家更好的模型在分子動力學模擬水分子團簇之間的相互作用。

了解這些水分子團簇的行為究竟如何散水是這些模型的主要目標之一，在化學偉大的未解問題之一。

這項研究是描述科學。

 

引用：http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/sep/21/how-many-water-molecules-does-it-take-to-make-ice