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激光测量打造世界最小冰晶

导读: 这听起来也许有些像禅宗心印,但它确是一个严肃的科学问题:制造一个最小的冰晶需要多少个水分子?

  这听起来也许有些像禅宗心印,但它确是一个严肃的科学问题:制造一个最小的冰晶需要多少个水分子?

  由于晶体被定义为分子在三维空间呈周期性重复排列的固体,因此,人们未必能够将任何粘连在一起的一小团分子集群称为晶体。

  而且,这一观点尤其适用于水:当水温降低凝结成冰后,那些将水分子松散地束缚在一起的薄弱氢键会把无秩序的分子集群(图左)间的距离拉扯得更大,最终形成笼子似的排列布局(图右是新分子集群的横断面),但同时也变得更加刚硬。这种宽敞的晶格也是冰的密度之所以比水低的原因――因此冰能够漂浮在水面上。

水结冰后,分子集群间的距离被拉大。

水结冰后,分子集群间的距离被拉大

  为了计算出形成一个冰晶晶格所需要的最小分子量,一个研究小组用红外线激光器照射了一些能容纳80到500个分子的水分子集群。参与这项研究的科学家特别注意了这些水分子集群从波长在2.63微米到3.57微米间的激光中吸收了多少能量――在这一波长范围内,激光能使水中的氢氧键持续不断地伸展和收缩。

  该研究小组发现,一个特殊的能量吸收峰值出现在激光波长大约达到3.125微米时――这反映出冰的光谱特性,以及仅出现在包含超过275个水分子的集群中。研究人员将相关研究成果发表在了近期的《科学》杂志网络版上。研究人员指出,这一数量的水分子能够产生一个大小在1毫微米到3毫微米间的微小冰簇――碎冰晶的极限体积。

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