寻找地球上冰的非凡行为的解释

如果你用更重的变体替换冰中的标准氢原子，就会发生一些奇怪的事情。分子占据的体积增加了0.1%。莱顿化学家JörgMeyer和他的同事创建了一个描述这种行为的理论模型。他们的研究出现在《物理化学快报》的封面上。

当您将存在的原子替换为较重的变体时，某种类型的分子所占据的体积会发生变化。这种效应称为体积同位素效应，简称VIE。具有不同重量的化学元素的变体称为同位素。例如，你有“常规”氢和“氘”，氘原子由于其原子核中添加了中子而更重。

大多数材料具有正常的VIE，当您用较重的同位素替换轻同位素时，给定数量的分子的体积会减小。“在地球上最常见的冰形式中，体积实际上会增加，”迈耶说。“这是违反直觉的。简单地说，较重的同位素实际上限制了材料中分子的振动。结果，分子需要更少的移动空间并且体积减小。但在冰中，奇怪的是，如果你用氘代替氢，体积似乎会增加：更重的同位素。

六角形冰晶

研究人员专注于冰Ih：地球上最常见的冷冻水形式。h表示晶体结构，为六边形。

冰并不是唯一具有异常VIE的材料。例如，您也可以在半导体中看到它。通过找到这种违反直觉行为的理论描述，研究人员希望更多地了解这些材料的特性以及将它们结合在一起的化学键。

为了从理论上描述体积效应，研究人员使用了一种所谓的相互作用电位公式。该公式近似于分子水平上发生的事情，因为不可能精确描述发生的所有量子力学相互作用。“几乎所有的相互作用势都预测，当你用氘原子代替氢原子时，冰的体积会变小，”迈耶说。“正如我们在现实中看到的那样，只有来自美国研究小组的那个给出了更大的数量。

振动方式影响音量

研究人员详细分析了美国人的互动潜力。分析表明，冰的异常体积同位素效应与分子在晶体结构中振动的不同方式有关。例如，在水分子中，氢原子可以沿氧原子的方向来回弹跳，或者整个分子来回弯曲。

在冰中，这会导致两种振动模式：因此，在冰中，有两种可能性：在所谓的拉伸振动模式下，水分子表现出一种内部振动。为此，它们不需要那么多空间，并且可以靠得很近。在另一种所谓的振动模式下，分子需要更多的空间。“这类似于有人通过挥舞肘部强迫旁观者腾出空间，”迈耶说。

如果用氘原子代替冰中的氢原子，事实证明，振动模式的影响是以拉伸模式的影响为代价的。这导致分子彼此碰撞得更多，占用更多空间并增加体积。迈耶说：“这是现实中发生的复杂量子力学效应的简单类比。

“关于相互作用潜力的一个令人惊讶的事情是，涉及两个以上分子的三体相互作用对体积效应起着重要作用，而在分子间键合的情况下，它几乎没有发挥作用。冰继续让我们惊叹不已。