冰作为水的固态形式，极其广泛地存在于人类的生态圈中，并发挥着不可替代的重要作用。不同于冰的体内性质，目前对冰表面的研究还处于非常初始的阶段，甚至一个最基本的问题——冰的表面结构，人们仍然不十分清楚。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室博士生潘鼎与导师王恩哥研究员以及英国伦顿大学(UCL)Michaelides博士合作，利用密度泛函理论(DFT)，从原子尺度上系统研究冰相Ih/XI的体内和(0001)表面性质。大量计算结果表明，冰XI中的氢键结合能较大，冰相Ih和XI的差别约5 meV/H2O，这与70K时分子热能的量级是一致的(KBT ~ 5 meV/H2O)。但是与体内相比，在表面上氢原子分布不同导致的能量变化，大致要少一个量级。他们同时进一步采用经验势，对不同温度下的情况进行了系统的蒙特卡诺模拟，发现72K时体内可能出现的有序-无序相变，在表面上将不会出现。也就是说，冰相Ih的(0001)表面，直到预融化之前，将一直保持一个较有序的状态。他们通过定义一个新的序参量，即冰表面平均最近邻的悬挂氢数目，最终对这个现象给出了很合理的解释。
相关成果发表在近期的Physical Review Letter 101, 155703 (2008)上。该成果得到了国家自然科学基金委“创新研究群体”基金及中国科学院的资助。 |
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