曾晓成预言高密度铁电新冰相

xiehou

中国科学技术大学客座教授曾晓成研究组与杨金龙/袁岚峰研究组以及大连理工大学赵纪军研究组合作，理论预测了一个新的高密度铁电冰相，研究成果发表在4月26日的《自然-通讯》上。文章标题为Room temperature electrofreezing of water yields a missing dense ice phase in the phase diagram（《室温电致水结冰：相图中“遗漏”的一个高密度冰相》）。该论文的第一作者是中国科大化学物理系博士后朱卫多。

　　因为水分子之间存在氢键，而氢键的强度和位形可以在很大范围内变动，所以水呈现出极其丰富的相图。目前，实验室中已经发现的不同温度和压强条件下的冰相多达18种。由于水分子具有偶极矩，多个水分子聚集时偶极矩可以叠加或抵消，因此有可能存在铁电性的冰。人们已经证实冰XI相是具有较大偶极矩的铁电相，而且认为它存在于天王星和海王星表面。然而，如果掺杂催化剂，普通结构的冰转变成铁电冰大约需要一万年，因此铁电冰相在自然界中是极为罕见的。

　　这项研究通过分子动力学和第一性原理的计算模拟发现：室温时，在高压和高电场强度的条件下，液态水可以自发形成一种高密度（1.27 g/cm3）的新型铁电冰晶体——“冰χ相”。自由能计算表明，在水相图上的一个高压低温区，冰χ相是最稳定的结构。它位于冰II相和冰VI相之间，与冰V相接邻。在这个意义上，冰χ是一个“被遗漏”的冰相。对此的一个可能的解释是：冰χ相的成核/生长需要非常高强度的电场。

　　回顾一下人类在实验室中发现十六种冰相的百年简史：冰II和冰III相是1900年在德国发现的；冰IV-VII相是1912-1937年间在美国发现的；冰VIII相是1966-1968年间在加拿大发现的；冰X相是1984年在德国发现的；冰XI相是1984年在日本发现的；冰IX相是1993年在英国发现的；冰XII-XV相是1998-2009年间在英国发现的；冰XVI相是2014年在德国发现的；最近的冰XVII相是2016年在意大利发现的。到目前为止，尚没有中国发现的冰相。

　　铁电冰χ相的预言不仅丰富了水在高压区域的相图，而且为寻找稀有的铁电冰结构提供了理论指导。如果未来在实验室中确实观察到这种铁电性冰χ相，不仅将增加人们对水科学的浓厚兴趣，而且冰χ相将有可能成为冰相XVIII，从而填补中国发现冰相历史中的空白。

　　该项工作得到中科院、国家自然科学基金委和国家重点研究开发计划项目的资助。

论文链接

曾晓成博士1963年出生于北京, 1984年毕业于北京大学物理系，1983考入 CUSPEA留美项目,1989年获得美国俄亥俄州立大学物理博士，1998年成为美国内布拉斯加大学林肯分校(UNL)化学系终身教授，2001年获美国内布拉斯加大学林肯分校Willa Cather讲座教授称号, 2006年获美国内布拉斯加大学林肯分校Ameritas Distinguished大学讲座教授称号。曾在美国芝加哥大学，加州大学洛杉矶分校作为博士后(1989-1993)，及作为美国NSF/CGP访问学者应邀访问日本京都大学(1994-1995)。自2007年担任中国科学技术大学微尺度物质国家实验室及ICQD客座教授。自2011担任中国科学技术大学##计划B教授。

杨金龙教授系中国科学技术大学教授，化学与材料科学学院执行院长，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，基金委创新研究群体负责人。1991年获中国科学技术大学理学博士学位。研究领域为理论与计算化学，在国际学术期刊上发表论文400余篇。合作研究成果于1999年和2001年两次被科技部评为中国基础科学研究十大新闻；于2001年、2005年和2013年三次入选两院院士评选的中国十大科技进展新闻；入选教育部评选的2009年度中国高校十大科技进展。曾获得教育部首届高等学校优秀青年教师奖、中国分析测试学会“CAIA”特别奖、国家自然科学二等奖、第九届中国青年科技奖等奖项。

赵纪军，大连理工大学教授，长江学者特聘教授，国家万人计划领军人才。主要从事低维凝聚态物理、计算材料学等领域研究，在Springer出版社出版英文专著1部，在Progress in Materials Science，Science Advances（2篇），Nature Commun. （2篇），Phys. Rev. Lett.（4篇），J. Am. Chem. Soc.（5篇），Nano Letters（3篇），ACS Nano（9篇），Adv. Mater.（2篇），Adv. Energy Mater.（2篇），Adv. Funct. Mater.，Adv. Sci.，Energy & Environment. Sci.，Nano Energy（3篇），Chem. Mater. （2篇），Materials Horizons，Nanoscale Horizons（3篇），Phys. Rev. A/B/M（42篇），Appl. Phys. Lett.（8篇），Commun. Phys.等高水平学术期刊上发表SCI论文400多篇，总引用15000多次，其中单篇被引用100次以上的论文28篇，H因子62，入选爱思唯尔中国高被引学者。研究成果多次被Science Daily、Phys.Org、C&EN、IEEE Spectrum、Nanowerk、SCIlight等科技媒体亮点报道。