薄薄的「冰玻璃」
過去物理學家相信,當液態的水慢慢降溫凝固成冰時;由於氫鍵的作用,冰的晶體為呈現以四面立方體的方式結晶。理論上固態水不會再有其他類型的晶體;不過這一切都將有所改變…。
周志強【台北報導】2000/12/6 AM 09:45:57
過去物理學家相信,當液態的水慢慢降溫凝固成冰時;由於氫鍵的作用,冰的晶體為呈現以四面立方體的方式結晶。也就是以每個水分子(H2O)為中心向外會接上另外四個水分子;每一個氫(H)各別接到另一個水分子的氧(O),每一個氧則各接兩個氫。理論上固態水不會再有其他類型的晶體;不過這一切都將有所改變…。

兩名日本物理化學家Koga、Tanaka以及一名美國華人化學家Zeng, Xiao-Cheng (曾曉成)於日前在國際知名期刊Nature(11/30號)上共同發表一篇關於新結晶型態的固態水。三位科學家在一道只有1奈米寬的細縫中將水冷卻到攝氏-10度,形成「冰玻璃(ice glass)」而非一般的冰晶(ice crystals)。

最初它們是在進行奈米技術研究時,先利用電腦模擬。在低溫高壓的條件下,結果出人意表的電腦計算出來的冰晶並非一般的三維(3D)構造,而是由六角形平面所構成的二維(2D)結構為主。一剛開始,三位當中的曾博士認為大概哪裡出問題了,才會造成計算出「驚奇」的結果。不過,經過半年時間的再三確認,都顯示相同結果。於是,三位科學決定造出電腦所模擬出來的「冰玻璃」;同時,它們決定將冰的這個晶形稱為「Nebraska」(美國中西部一州)來自Otoe的字,意思是「薄薄的水」。

結果又是出乎他們的意料之外。要製造出冰玻璃不如電腦計算結果所預期的容易,在電腦的模擬當中,雖然形成冰玻璃比形成一般的冰容易得許多,可是這一做就耗了他們三年的時間才製造出來,併確認無誤。Koga先生想到以製作玻璃的方式,在兩片非常緊密的薄片中才將冰玻璃製造出來。

這種新型態的結晶水,具有另一層重要物理意義:在兩個相(液相到固相)之間的轉變有很大的能量變異在;而一般的玻璃生成中,能量的變化是非常平順。雖然製造冰玻璃的能量條件很高,並且有許多學者也認為「冰玻璃」只能算是一種過度態而非最穩定存在的晶相。不過三位科學家卻存著另外的心情,他們認為可以在最普通的物質中找到不尋常的現象,正是從事科學研究的最大樂趣所在。

謝誌:本文感謝曾博士繁忙的研究當中抽空校對
 
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