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研究计算了冰形成的速度

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-08  浏览次数:12
核心提示:普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员首次在一个真实的水分子计算机模型中直接计算了水结晶成冰的速度。这些在超级计算

普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员首次在一个真实的水分子计算机模型中直接计算了水结晶成冰的速度。这些在超级计算机上进行的模拟,提供了对水从液体转变为晶体的机理的深入了解。

 

了解冰的形成增加了我们对低温如何影响生物和非生物系统的知识,包括活细胞如何对寒冷做出反应,以及在高海拔的云层中冰是如何形成的。对最初的冰冻步骤有更精确的了解,最终可能有助于改善天气预报和气候模型,并为开发更好的材料来播种云层以增加降雨提供信息。


研究人员观察了当温度下降时,水分子开始互相粘附,在周围液体中形成固态冰的过程。这些团块在形成后会很快消失。偶尔,一个足够大的团,即临界核,会出现,并且稳定到足以生长而不是融化。形成这样一个临界核的过程被称为成核。

为了研究成核作用,研究人员使用了一个计算机化的水模型,模拟真实水中的两个氢原子和一个氧原子。通过计算机模拟,研究人员计算了第一个临界原子核在230开尔文或零下43摄氏度的温度下形成所需的平均时间。


他们发现,对于一立方米纯水来说,关键原子核形成所需要的时间大约是百万分之一秒。这项研究由博士后研究员Amir Haji-Akbari和化学与生物工程教授Pablo Debenedetti共同进行,本周发表在美国国家科学院院刊网络版上。


Haji-Akbari说:“这项工作的主要意义在于表明,计算相对精确的水模型的成核速率是可能的。”


除了计算成核速率外,研究人员还探索了冰在环境压力下能形成的两种不同晶体形状的起源。我们在日常生活中遇到的冰被称为六边形冰。另一种形式是立方冰,稳定性较差,可以在高空云层中找到。两种冰都由六边形环组成,每个顶点都有一个氧原子,但是两种结构的环的相对排列方式不同。


Haji-Akbari说:“当水成核形成冰时,通常会出现立方和六边形的结合,但人们并不清楚为什么会出现这种情况。”“我们能够看看冰团的形状改变成核过程中,我们的工作的一个主要发现是解释一个更不稳定形式的冰被看好在更稳定的六角冰在最初阶段的成核过程。”


德贝内代蒂补充说:“我们在模拟实验中发现,在进入六边形冰之前,我们倾向于形成立方冰,这是非常令人满意的,因为这已经在实验中被报道过了。”德贝内代蒂说,这项研究的优势之一是哈吉-阿克巴里提出的在计算机模拟中识别立方和六边形形式的创新方法。


德贝内代蒂(Debenedetti)是普林斯顿大学1950届工程学和应用科学教授,也是该校研究系主任。他说,计算机模型对成核研究很有用,因为在水分子成核的精确温度和大气条件下进行实验非常困难。但是这些计算需要大量的计算机时间。
Haji-Akbari找到了完成计算的方法,但之前的尝试都失败了。冰形成模型的技术包括观察计算机模拟的冰团,即结晶


 
 
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