冲击加载过程中石英诱导水的晶化效应研究

摘要

水是自然界最为常见的液体物质，是包括人类在内所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分，被称之为“生命之源”。水还具有许多奇异的物理和化学性质，因此它总是受到学术界的关注。在静高压实验中水的液-固相转变早被人们发现，而且已证实有十多种固相的存在。那么在动态加载过程中水是否也能结冰?这一问题引起了做冲击波物理学者们的注意。然而在动态加载过程中如何能够获取水结冰的信息成为一个难题。原因是冲击波加载是一个ps-ns的瞬态作用过程，在极短时间内要捕获物质结构发生变化的信息是一件难度较大的工作，它需要的设计合理的实验设计方案，不仅要求实验诊断技术测试灵敏度高、而且测试技术的同步性要易于控制。水的快速结晶过程已被成功于分子动力学模拟，然而获得水冲击结冰的直接实验证据很少，目前仅限于Dolan的报道。而Dolan的实验结果显示水的结冰只发生于使用硅玻璃窗口的情况。有外界效应的作用时，通常会改变水的结冰温度。那么就存在以下疑问，一、在石英作用下水结冰发生是否仍需要过冷?二、硅玻璃对水的作用是一种间接作用还是直接作用?三、硅玻璃诱导水结冰的机理?本文发展了一套在线光透射测量技术对水的结冰问题做了进一步的实验研究，获得以下方面的结论：
　　 (1)本文改进的弹载光源冲击加载技术，弹丸速度在700m/s以内可以稳定工作。使用该技术发现融石英在低于4.5GPa以内保持了良好的透明性。并证实冲击压缩后再卸载的过程中对其透明性没有明显的影响；在低压下融石英的弹性冲击波速度基本保持不变，平均为5.99km/s；
　　 (2)用融石英做为窗口材料，发现水在多次冲击压缩过程中发生结晶相变的压力约为1.28GPa时，明显低于Dolan报道的实验结果；水的液-固相转变极为迅速，在数十个纳秒内达到对可见光产生散射效应的尺度；
　　 (3)实验发现水发生液-固相变的热力学状态都处于液相区，没有深入到冰相区；压缩路径在跨越液-固相边界前后对水结晶速率没有影响。因此，本文认为夹于石英之间的水在冲击压缩过程中发生的结冰现象不能完全归因于过冷所致；
　　 (4)通过改变融石英与水接触的界面发现石英对水的结冰具有诱导的作用。其原因如下：1.按照界面成核理论，在界面处的凝固成核的形状应为球冠状，球冠状形核所需的成核功要小于非界面球状成核；2.由于界面静电的作用，使石英表面部分水分子呈类冰状结构(Ice-like)，即石英界面处的部分水分子有序；3.在静电场作用下，水的凝固点会升高。因此，在冲击加载条件下融石英的表面易于水的结晶相变。