通过从氢水合物中排出氢获得无堆垛无序的冰 Ic
材料科学
2020-02-19 v1
摘要
水在常压下于 0 {\deg}C 以下结冰，通常形成具有 ABAB... 六方堆垛序列的冰 Ih。然而，已知其在特定条件下也会生成名义上具有 ABCABC... 立方堆垛序列的“冰 Ic”，且其在地球大气或彗星中是否存在尚有争议。“冰 Ic”或称立方冰，于 1943 年由 K\"onig 首次确认，其使用电子显微镜研究了水蒸汽在冷基底上的凝华结冰。随后，人们建立了多种通向“冰 Ic”的不同路径，例如气体水合物的分解、非晶冰的升温或高压冰在常压下的退火、级或纳米受限水的冻结。尽管对“冰 Ic”已有大量研究，其结构尚未被完全证实，因为“冰 Ic”的衍射图样显示出堆垛无序的特征，而理想的无堆垛无序冰 Ic 直到最近才得以形成。本文中，我们展示了一种通过从高压形态氢水合物 C 中脱气氢来获得无堆垛无序冰 Ic 的路径，C 的宿主骨架与冰 Ic 同构。令人惊讶的是，无堆垛无序的冰 Ic 是在减压下经由中间非晶或纳米晶形态从 C 形成的，这与最近发现的由氖水合物生成的冰 XVI 或由氢水合物生成的冰 XVII 所发生的直接转变不同。所获得的冰 Ic 表现出显著的热稳定性，直至在 250 K 时发生向冰 Ih 的相变；该热稳定性源于位错的缺失，而位错会促进堆垛序列的改变。这一理想冰 Ic 的发现将促进对堆垛无序在冰的物理性质中所起作用的理解，将其作为冰 Ih 的对立端元。
引用
@article{arxiv.1909.03400,
title = {Ice Ic without stacking disorder by evacuating hydrogen from hydrogen hydrate},
author = {Kazuki Komatsu and Shinichi Machida and Fumiya Noritake and Takanori Hattori and Asami Sano-Furukawa and Ryo Yamane and Keishiro Yamashita and Hiroyuki Kagi},
journal= {arXiv preprint arXiv:1909.03400},
year = {2020}
}