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Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice

机译:过冷水中的结构转变控制着冰的结晶速率

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摘要

One of water's unsolved puzzles is the question of what determines the lowest temperature to which it can be cooled before freezing to ice. The supercooled liquid has been probed experimentally to near the homogeneous nucleation temperature, T_H≈ 232 K, yet the mechanism of ice crystallization-including the size and structure of critical nuclei-has not yet been resolved. The heat capacity and compressibility of liquid water anomalously increase on moving into the supercooled region, according to power laws that would diverge (that is, approach infinity) at ~225 K (refs 1, 2), so there may be a link between water's thermodynamic anomalies and the crystallization rate of ice. But probing this link is challenging because fast crystallization prevents experimental studies of the liquid below T_H. And although atomistic studies have captured water crystallization3, high computational costs have so far prevented an assessment of the rates and mechanism involved. Here we report coarse-grained molecular simulations with the mW water model4 in the supercooled regime around T_H which reveal that a sharp increase in the fraction of four-coordinated molecules in supercooled liquid water explains its anomalous thermodynamics and also controls the rate and mechanisms of ice formation. The results of the simulations and classical nucleation theory using experimental data suggest that the crystallization rate of water reaches a maximum around 225 K, below which ice nuclei form faster than liquid water can equilibrate. This implies a lower limit of metastability of liquid water just below T_H and well above its glass transition temperature, 136 K. By establishing a relationship between the structural transformation in liquid water and its anomalous thermodynamics and crystallization rate, our findings also provide mechanistic insight into the observed5 dependence of homogeneous ice nucleation rates on the thermodynamics of water.%水的各种异常性质让科学家困惑了几十年,人rn们也提出很多假设来解释它们的起源.其中的rn一个谜题是,是什么决定水在结冰之前可以被rn冷到的最低温度这样一个问题.低温时的快速rn结晶妨碍了实验研究,而模拟工作就在电脑上rn所花的计算时间来说通常成本又太高.现在,rnEmily Moone和Valeria Molinero利用一个允许进rn行严格计算的简单水模型发现,超冷液态水中rn"四配位"分子所占比例控制冰的形成速度和rn机制.该结构变化还导致结晶速度在225K日寸一.rn出现一个峰值:在这个温度以下,冰核的形成rn速度快于液态水的平衡速度.这一发现可解释rn所观察到的热力学异常,也可解释为什么均匀rn的冰成核速度取决于水的热力学.
机译:水尚未解决的难题之一是问题,该问题决定了在冻结成冰之前,水可以冷却到的最低温度。已经对过冷液体进行了实验研究,使其温度接近均相成核温度T_H≈232K,但尚未解决冰的结晶机制(包括临界核的大小和结构)。根据功率定律,液态水的热容量和可压缩性在进入过冷区域时会异常增加,功率定律在〜225 K时会发散(即接近无穷大)(参考1、2),因此水之间可能存在联系热力学异常和冰的结晶速度。但是探测这种联系是有挑战性的,因为快速结晶阻止了对T_H以下液体的实验研究。尽管原子研究已经捕获了水的结晶3,但到目前为止,高昂的计算成本阻碍了对速率和机理的评估。在这里,我们报告了在T_H附近的过冷状态下使用mW水模型4进行的粗粒分子模拟,结果表明,过冷液态水中四配位分子分数的急剧增加说明了其异常的热力学,并且还控制了冰的速率和机制编队。使用实验数据进行的模拟和经典成核理论的结果表明,水的结晶速率在225 K附近达到最大值,在该速率以下,冰核形成的速度快于液态水所能平衡的速度。这意味着液态水的亚稳态下限仅在T_H以下且远高于其玻璃化转变温度136K。通过建立液态水的结构转变与其反常的热力学和结晶速率之间的关系,我们的发现还提供了对观察到的均匀冰成核速率对水的热力学的依赖性。%水的各种异常性质让科学家混淆了几十年,人rn们也提出了很多假设来解释它们的起源。是什么决定水在结冰之前可以被rn冷到的最低温度这样一个问题。低温时的快速rn结晶取向了实验研究,而模拟工作就在电脑上rn所花的计算时间来说通常成本又太高。现在,rnEmily Moone和Valeria Molinero利用一个允许进来的行严格计算的简单水模型发现,超冷液体水中rn“四配位”分子所占比例控制冰的形成速度和rn机制。该结构变化还导致结晶速度在225K日寸一.rn出现一个尖端:在这个温度以下,冰核的形成rn速度快于液态水的平衡速度。这一发现可解释rn所观察到的热力学异常,也可解释为什么均匀的冰成核速度决定水的热力学。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2011年第7374期|p.506-508A1|共4页
  • 作者单位

    Department of Chemistry, University of Utah, Salt Lake City, Utah 84112-0580, USA;

    Department of Chemistry, University of Utah, Salt Lake City, Utah 84112-0580, USA;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
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  • 正文语种 eng
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