科學研究 - 冰表面構造真相大白！東京大學在原子水平上發現水分子呈無序排列

本文根據東京大學的研究成果發佈資料摘抄編譯而成

日本東京大學研究生院新領域創成科學研究科的學生川上直也、特任研究員岩田孝太、助教鹽足亮隼及副教授杉本宜昭組成的研究團隊，成功地在原子水平觀察到了冰晶的表面構造。

研究團隊利用可以觀察物質表面原子的原子力顯微鏡（AFM：Atomic Force Microscope），在原子水平捕捉到了冰表面的凹凸。由此發現，冰的表面並不像根據晶活體內部構造預測的那樣呈規則有序的結構，而是水分子位置發生了行程的無序結構。實驗發現在多種條件下製作的冰的表面全部呈相同的結構，因此應答這種無序結構才是冰表面的真正構造。冰的的表面構造在原子水平上的明確，將有助於理解在冰表面上發生的各種物理可用能和化學現象，比如應答冰表面上的化學反應的反應路徑等。

研究内容

冰是水的固體形式，是人們非常熟悉的物質，冰的表面會發生一些重要的自然現象。例如平流層的雲中含有的冰，其表面會透過化學反應生成破壞臭氧層的物質。另外，太空的恆星之間有高密度存在氣體和微顆粒的區域，在該區域，冰表面附着的微小氣體分子會發生反應，生成蛋白質的原料氨基酸。要想理解這類現象，瞭解冰的表面結構至關重要，因此研究人員利用各種方法調查了冰的表面結構。

冰有多種類型，其中最普遍的晶體冰——冰I（注1）的内部形成了透過氫鍵網路呈六角形排列的水分子層堆疊的結構（圖1）。僅簡單地進行預測，可以認爲在冰的表面，這種水分子呈六角形有序排列的結構會露出來（圖1(b)，(c)）。不過，關於在原子水平上是否保持這種結構存在爭議，一直沒有定論。終極因數之一是，現有方法是根據空間平均資訊來推算結構的。如果能直接觀察表面的分子並確定位置，就可以明確判斷冰表面是否保持着規則的結構。

圖1：（a）冰的照片，（b）冰晶結構的側視圖，（c）冰晶結構的俯視圖。紅色和白色的球表示氧原子和氫原子。晶活體內部是透過氫鍵網路呈六角形排列的水分子層堆疊的結構。透過氫鍵連接時，水分子的方向可以形成多種組合，因此氫原子的位置具有自由度。單純預測認爲，冰的表面結構像（c）那樣，其中一層會露出來。

研究團隊利用具備高度空間解析度的AFM，在-190℃的溫度下，觀察了金屬基底層上形成的冰的表面（圖2）。由此獲得了高解析度影像，可以識別以1奈米以下的非常窄的隔膜密集排列的單個原子（圖3(a)）。研究團隊觀察到，與晶活體內部不同，冰表面由於相鄰的水分子數量減量，構成水分子的部分氫原子脫離氫鍵的控制，從表面突出。突出的氫原子作爲AFM影像中的一個個圓點實施了視覺化。

圖2：利用原子力顯微鏡觀察的冰表面的示意圖。從左上方伸過來的板簧上帶有鋒利的探針，透過測量在探針尖端與表面原子之間作用的力，觀察了表面的結構。構成冰的水分子在晶活體內部有序排列，但在表面是無序排列的。

冰表面的氫原子密度（每平方奈米爲1.5個）約爲根據晶體的預測值（每平方奈米2.8個）的一半。另外，圖1（c）那種水分子有序排列的結構無法解釋透過AFM影像發現的氫原子的排列方式。這些結果表明，與晶活體內部結構相比，冰的表面結構非常無序。研究團隊改變製冰的基底層種類和冰的厚度，多次進行同樣的實驗，無論在哪種條件下都得到相同的結果，因此應答，此次觀察到的結構是冰表面的真正結構。研究團隊還根據獲得的AFM影像構築了表面結構模式，並指出，水分子的排列方式中含有變形的六角形、五角形和七角形，因此導致排列無序（圖3(b)，(c)）。他們認爲這種無序是由水分子攜帶的靜電造成的。

此次研究首次在原子水平上明確了冰的表面結構。今後，透過根據此次研究確定的結構進行理論計算等，有望更詳細地查清是如何發生化學反應等的。另外，透過利用AFM，有望以單個分子水平直接觀察冰表面上的化學反應。