使用冷冻显微镜和防冻剂直接观察冰液界面

自然界中的冰大部分时间都被液体包围，因此了解冰和液体如何相互作用至关重要。神户大学和分子科学研究所的一项研究首次通过使用防冻剂和冷冻显微镜直接观察到冰和液体界面处的精确形状。

当我们在冰上滑行、雪花形成、舔冰淇淋时，冰的表面总是覆盖着液态水，了解液态水和冰之间的相互作用对于理解整个现象至关重要。然而，由于冰和水迅速相互转化，因此一直无法直接观察两者之间的界面。

为了更深入地了解冰如何与周围液体相互作用，由神户大学的大西宏司领导的研究人员决定尝试下一个最好的方法。

他说：“我们想出了测量浸泡在低于0°C的防冻液中的冰的方法。这样，冰不会融化，界面不会移动，应该可以进行精确的观测。”即便如此，研究人员仍很难对冰进行良好的测量。

神户大学的研究人员解释说：“通过各种反复试验的过程，我们发现必须在冷却箱中冷却整个显微镜系统，而且需要一些聪明才智才能确保原子力显微镜这种精密测量仪器能够在零度以下的温度下稳定运行。”

“通过各种反复试验，我们发现必须将整个显微镜系统放在冷却箱中冷却，这需要一定的智慧才能确保原子力显微镜这种精密测量仪器能够在零下的温度下稳定运行，”OnishiHiroshi解释道。图片来源：OnishiHiroshi

研究小组在《化学物理学报》上发表了他们的研究成果。他们发现，没有液体包围的冰具有大约20纳米高的所谓“霜柱”，而在防冻剂中，冰是完全平坦的，偶尔会出现只有一个分子层高的台阶。

研究人员在论文中写道：“我们认为平坦表面是通过……冰表面在1-辛醇液体(防冻剂)中的部分溶解和重结晶形成的。”

Onishi和他的团队还尝试了不同的液体，都是像1-辛醇这样的酒精。尽管他们尝试的所有液体都有类似的特性，但他们观察到冰的表面在每种情况下看起来都不同，这强调了直接测量界面的重要性。此外，他们研究了1-辛醇下冰表面的“硬度”，发现冰比以前使用不太直接的方法估计的要硬得多。

研究人员希望他们的研究结果能够激发对冰-液界面的进一步研究，但他们也为自己未来的工作设定了明确的目标：“我们希望将显微镜的分辨率提高到单个水分子，并使用原子力显微镜以外的测量方法。通过这种方式，我们希望扩大冰-防冻液界面分子级测量的可能应用范围。”

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