冰的氢键振动研究

虽然水分子结构简单,但是关于水冰的基本理论仍有很多问题没有科学答案.对于冰的原子分子振动,人们对其分子内的伸缩和弯曲振动以及分子的空间转动已经研究得很清楚.然而30年前,高亮度的非弹中子散射实验发现,很多冰相的远红外分子平移区中存在两个明显的特征振动峰,对其来源一直没有定论.本文基于第一性原理密度泛函理论的CASTEP代码,系统研究了不同冰相的振动谱和振动模式.在对最简单的氢有序冰Ic模型的研究中,首次发现了两类本征的氢键振动模式.以此为线索,继续模拟其他的冰相,发现无论是氢有序还是氢无序结构都存在这个规律.利用冰晶格局域正四面体理想模型,理论上证明了两类振动模式可分为围绕一个水分子的氢键的四键振动和双键振动.高压下,因为结构变形,存在介于二者之间的耦合振动.此外,还有能量更低的一些光学支振动模式,比如团簇的振动、面间振动.冰VII/VIII,XV/VI等结构,是由两个子晶格嵌套而成的,两个子晶格之间还有非氢键的相对振动.综上,这些分子平移振动可解释所有冰相的远红外振动谱,为冰的分子振动理论补足了最后一块拼图.由于液态水不存在这两类氢键振动,因此其远红外吸收带在两个氢键位置恰好是个波谷.结合太赫兹激光技术的发展,此理论有望在工业除冰、食品解冻、可燃冰开采和生物分子冷冻塑型等领域产生系列原创成果.