Лёд — это твёрдая форма воды в природе, широко распространённая в окружающем мире. Исследование структуры льда и механизмов его образования играет ключевую роль в облачной физике и физике низкотемпературного хранения; поэтому учёные изучают лёд уже на протяжении длительного времени. Говоря о его проявлениях в малом масштабе, первым, что приходит на ум, обычно являются снежинки. Как показано на рисунке ниже, снежинки обладают чёткой шестикратной симметрией, поскольку в природе лёд чаще всего встречается в гексагональной модификации (Ice Ih).

Рис. 1 Фотография снежинки (изображение взято из интернета)

Если обратиться к научной литературе, то окажется, что в исследованиях структуры льда преимущественно используются дифракционные методы, позволяющие получать пространственно усреднённую информацию; в то же время трансмиссионная электронная микроскопия — высокотехнологичный инструмент с возможностью атомарного масштаба — применяется крайне редко. Основных препятствия здесь два: во‑первых, подготовить стабильные образцы льда для трансмиссионной электронной микроскопии при низком давлении весьма сложно; во‑вторых, повреждающее действие электронного пучка создаёт серьёзные трудности для электронномикроскопического изучения льда. Недавно исследовательская группа под руководством профессора Бай Сюэдуна из Института физики Китайской академии наук巧妙ly использовала метод крио‑электронной микроскопии: остаточные пары воды в полости трансмиссионного электронного микроскопа осаждались на холодной (102 K) медной сетке, а с помощью коррекции сферической аберрации и низкодозовой техники получения изображений удалось провести детальную и систематическую электронномикроскопическую характеристику кристаллической структуры льда на различных подложках, его дефектных особенностей и динамических процессов эволюции структуры. В ходе этого исследования было выявлено, что на низкотемпературных границах происходит предпочтительное зарождение кубического льда (Ice Ic), а по мере времени доля гексагонального льда (ice Ih) в образующихся кристаллах постепенно возрастает.

Соответствующие результаты опубликованы в журнале Nature под названием «Отслеживание кубического льда с молекулярным разрешением». Заместитель научного сотрудника Института физики Китайской академии наук Ван Лифэнь выступила соавтором‑первым автором (2/3) и ответственным автором статьи; аспирант Института физики Китайской академии наук Хуан Сюдань (1/3) и аспирант Пекинского университета Лю Кэян — также первыми авторами (3/3). Научный сотрудник Пекинского университета Чэнь Цзи, академик Ван Эньго и научный сотрудник Института физики Китайской академии наук Бай Сюэдун — соавторы‑ответственные авторы. Среди других соавторов — профессор Цзян Ин из Факультета физики Пекинского университета, научный сотрудник Лю Лэй из Факультета материаловедения, а также научные сотрудники Сюй Чжи из Материаловедческой лаборатории Суншаньху, специальный научный сотрудник Тянь Сюэцзэн и научный сотрудник Ван Вэньлун из Института физики Китайской академии наук.

Ссылка на оригинал: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05864-5

Рис. 2 Структурная характеристика монокристаллического льда кубической модификации (Ice Ic), выращенного на различных подложках: а — гидрофобная углеродная плёнка, б — гидрофильная углеродная плёнка, в — графен, г — однослойный h‑BN.

На каждой строке представлены, соответственно: усечённый многогранник кубической льдинки (Ice Ic), локальное изображение, полученное методом HRTEM, соответствующее изображение Фурье‑преобразования, схематическое изображение кристаллической структуры и соответствующее высокоразрешающее моделируемое изображение. По результатам анализа учёные пришли к выводу, что гетерогенное зародышеобразование играет важную роль в преобладающем зародышеобразовании кубической льдинки.

Рис. 3 Электронная микроскопическая характеристика дефектов в кубической форме льда (ice Ic)

Опираясь на методы прямой высокоразрешающей визуализации, они осуществили детальную характеристику микроскопических дефектов в кубической льдине (ice Ic) на молекулярном уровне. В зависимости от того, были ли в кубической фазе льда (ice Ic) введены домены с упорядоченностью структуры, они подразделили дефекты на две категории: первая — поверхностные дефекты, локализованные на плотноупакованных {111}-плоскостях, включая двойники и слоистые дислокации, а также их взаимодействия; вторая — доменные неупорядоченности, обусловленные наличием дефектов в определённой области, в том числе дислокаций несоответствия на границах двойников или нарушений гексагональной плотной упаковки.

Рис. 4. Непосредственное наблюдение динамической эволюции беспорядка в упаковке кубической фазы льда (Ice Ic)

На рис. 4a показана исходная структура ледяных кристаллов, включающая идеально чистую кубическую фазу льда (ice Ic) — кристаллическую область (I) — и область с беспорядочной упаковкой слоёв — кристаллическую область (II). По мере увеличения дозы электронного пучка его возбуждающее воздействие приводит к локальному повышению энергии льда; в процессе сублимации это проявляется постепенным отслаиванием поверхностного слоя кристалла (рис. 4b–d). Кристаллическая область II изначально имеет полосатую решётку; с ростом времени облучения распределение полос постепенно изменяется, что свидетельствует о внутренней неустойчивости этой дефектной структуры. Исследователи с помощью метода молекулярной динамики дополнительно оценили эволюционный путь перехода от упорядоченной к беспорядочной структуре и соответствующий график потенциальной энергии. Следует особо отметить, что как в процессе роста, так и при облучении электронным пучком кубическая фаза льда сохраняется стабильно и не переходит в гексагональную фазу льда (ice Ih).

Данная работа позволила на молекулярном уровне осуществить прямое и реальное пространственное изображение образования льда и его динамических процессов, что послужило основой для исследований льда с использованием просвечивающего электронного микроскопа, предоставило ориентир для электронно‑микроскопических исследований других кристаллов, связанных водородными связями, и расширило наши представления о развитии кристаллической структуры льда в ходе его роста.

Рис. 5 Скриншот экспериментального метода, приведённого в тексте

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии», являясь одним из пионеров отечественной отрасли визуализации на месте с помощью электронных микроскопов, представила новейший образцовый стержень для крио‑трансмиссионного электронного микроскопа. Пико Фемто ®JN02 оказал техническую поддержку данной работе.

Рис. 6 Используемая в настоящем исследовании компания «ZEPTOOLS» ( ЗЕПТУЛС ) 的 Пико Фемто ®‑серия образцовых стержней для низкотемпературных исследований in situ

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью независимыми правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда была начата разработка электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время компания располагает в том числе… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с дифракционной решёткой Ряд продуктовых линеек, включая …, пользуется широким признанием как на внутреннем, так и на международном рынках, заполняя многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑точных измерительных приборов.