打印通常而言，水在材料表面生成的冰相趋向于类似Ih冰相的六角结构，而诸如四方、五角、七角、八角等特殊结构则表征了固体表面的晶格结构对冰相生长的影响。近年来，随着海水过滤与淡化、海洋船舶的抗冻与减阻、材料表面吸附与润湿等实际应用的需求发展，盐溶液在固液界面的冰相生长受到国内外研究者们越来越多的关注。但是，由于离子-水分子-固体表面之间存在复杂的相互作用，离子如何影响冰相生长一直是相关研究中的难题。
针对以上问题，中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心陈济舸副研究员团队在受限条件下盐溶液中菱形冰相的生长机制的研究工作中取得进展。该团队通过第一性原理与经典分子动力学模拟，从分子尺度上得到了两类菱形冰相的形成条件，在统计物理框架下揭示了离子在固液界面的冰相生长中的重要影响。该研究成果以“Two Rhombic Ice Phases from Aqueous Salt Solutions under Graphene Confinement”为题，作为快报（Letter）发表在《物理评论E》（Physical Review E）上。
图1：受限条件下的盐溶液中形成的两种菱形冰相。
陈济舸长期从事纳米流体的理论研究，在盐溶液的结构与动力学方面取得了一系列成果，提出离子的水合结构在决定流体的局域粘度[1]、气体吸附[2]，分子点群 [3-5]，扩散系数[6, 7]的重要作用。研究团队发现，受限条件下的冰相生长同样依赖固体表面的晶格结构[8]，而离子-水分子-固体表面的共同作用则导致冰相生长出不同的特殊结构[9]。如图1所示，受限在石墨烯之间的盐溶液，随着离子浓度变化，水分子围绕离子形成两类菱形冰相。它们具有相同的菱形结构与热力学性质，但晶胞与石墨烯晶格存在不同的转角，从而引起界面能和自由能的改变。该工作揭示了离子的水合结构影响冰相生长的微观机制。
该研究得到了上海市科委、中国科学院国际合作局、中国博士后研究计划、上海电机学院学科建设项目、上海光源数据中心、上海超算等的帮助支持。
文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.109.L062103