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木虫 (职业作家)

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[交流] 石墨烯“三明治”把冰压成平面正方结构已有1人参与

时间:2015-03-30 10:31 来源:环球科学（huanqiukexue.com）
科学家用两片石墨烯将一滴水“压扁”，形成了冰的又一种新结构：这种结构只有几个原子厚，呈方形网格状。
科学家用两片石墨烯将一滴水“压扁”，形成了冰的又一种新结构：这种结构只有几个原子厚，呈方形网格状。

这种“方形冰”的发现也体现了石墨烯这种二维平面材料的新用途。石墨烯不但有刚性、强韧且导电，它也能对两层石墨烯之间的分子施加很强的压力，这就是为什么水能在多层石墨烯间迅速渗透，这一性质也能启发我们用石墨烯来对水进行脱盐。

石墨烯的发现者是英国曼彻斯特大学的安德烈•海姆（Andre Geim），他也为此得到了2010年的诺贝尔物理学奖。2012年他领导的研究小组发现水蒸气可以通过层压的石墨烯氧化物，这一点甚至连氦原子都办不到。2014年他们又发现不仅水蒸气，液态水也能通过。计算机模拟显示水在两层石墨烯之间可以形成方形结构，只要动一动这种“冰”的边缘，所有的水分子都会一起向同一个方向倒去，就像高速运动的列车一样。然而分子动力学模拟毕竟算不上靠谱，因此他们就做了实验。

海姆的研究小组将一毫升的水倒在一片石墨烯上，再将第二片石墨烯放在水上，所有这一切都在室温下进行。当水慢慢蒸发时，两层石墨烯逐渐紧贴在一起，距离不超过1纳米，这种“三明治”结构把水包在里面。

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy）显示，被包裹在中间的水形成了方形结构。“我们也不是完全没预料到这事，”来自英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的物理学家艾伦•索珀（Alan Soper）说，“但能在这么大一片层状结构中观测到方形冰，这可是从来没有过的。”索珀认为这可以算作冰的新一种晶体相（phase，即有特定化学组成和物理状态的物态），在这之前科学家已经发现了冰有17种相。

方形冰与普通冰的结构大不相同。在一个水分子（H2O）中，氢原子与氧原子之间由很强的化学键相连，但在相邻的两个分子之间，氢原子可以形成一种更弱的氢键。在普通的冰里，氢键通常会呈四面体形。

但在方形冰中，所有的原子都在同一个平面内，氢-氧键互成直角。海姆发现的方形冰碎片里既有一层冰平面的，也有两层、三层冰平面的，相邻层之间氧原子直接上下对齐。

根据研究小组的计算，要让冰形成这样的结构，至少需要1万个大气压。“我们很惊讶压力能达到这么高。”海姆说。这么高的压力来自于双层石墨烯彼此靠近时碳原子电子云的变形。相邻层的碳原子在靠近时由于范德瓦尔斯力会互相吸引，索珀说“这就像千万个小弹簧把两层绑在一起一样”。

海姆认为，这种方形冰也可能出现在其他紧密空间里，例如碳纳米管的内部。如果我们更仔细地研究这种现象，或许可以掌握用石墨烯作为“筛子”对水进行脱盐的奥秘。（来自《自然》，丁家琦编译）

原文链接：
http://www.nature.com/news/graph ... form-of-ice-1.17175
原始论文：
http://www.nature.com/nature/jou ... ll/nature14295.html

我们最熟悉的冰是六方结构的（右图），但在两片石墨烯之间，冰会变成扁平的直角结构（左图）。

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