利用和频振动光谱技术对冰表面预融化的实验研究

1859年Michael Faraday提出在低于冰的融化温度时表面已经处于类似于液体状态，这就是所谓的冰表面的预融化。这种表面预融化现象在许多固体材料中都会发生，包括铅，镓，锗，铝以及固态的氩等。其中，冰的表面（界面）预融化关系着我们的身边的诸多现象，例如，非常小的摩擦系数使得我们可以很容易滑雪和溜冰，冰川迁移，雷电云层中的正负电荷分离过程等。然而，人们对冰表面预融化的理解却非常有限。基于过去我们对冰表面研究的一些初步积累，我们计划利用和频光谱技术拓展对六角结构冰(Ih, 常温常压下冰的结构)的表面预融化的实验研究:a)大气压强对冰表面预融化起始温度的影响；b)预融化的"类液体层"的表面分子结构；c)预融化的"类液体层"与过冷液态水表面结构的异同；d)外族分子掺杂对冰表面融化的影响。回答这些问题，将不仅会帮助我们理解冰表面预融化的微观过程，并为今后研究其它重要的冰界面问题打下基础。

该项目计划利用表面和频振动光谱技术（SFVS）来研究冰表（界）面的预融化。在项目进展过程中，除了按计划研究冰表面的结构与温度的关系，我们解决了一个过去常常被忽视、但对于理解分析SFVS光谱至关重要的一个衍生的科学问题：在SFVS光谱中，来自体相的高阶响应是否可以忽略；若不可忽略，如何与表面光谱分离？.截至2014年12月29日，该项目的完成情况和取得的成果总结如下：.（1）实现纯粹表面光谱的新型理论和实验方案.SFVS技术已广泛应用于复杂体系的表面研究。然而，自从该技术发展后的30年间，一直存在着一个难以避免的基础问题：如何区分来自表面的光谱和体相的高阶响应。遗憾的是，虽然有一些前期的理论和实验工作，但都没有清楚地回答来自体的高阶非线性响应是否重要；若不可忽略，是否可以同表面信号区分开来。我们提出了一套从理论分析到实验测量的新方案，首次成功的在非极性介质中将体和纯表面的信号区分开来，得到纯的表面振动光谱。进而，为一般性介质表面的研究提供必要的参考方案。.该工作的部分理论工作发表在Surface Science Reports (2014), IF:24.6;核心的理论和实验工作已经投稿 Physical Review Letters，目前状态为审稿第二轮。其它相关实验结果正在整理中。..（2）疏水材料/冰表面分子结构的温度依赖关系.在疏水材料与冰形成的界面，指向界面且不连结氢键的悬挂OH键（dangling OH）是疏水界面的典型特征。该悬挂OH键是表面所特有的结构。我们研究了该特征OH键的空间指向与分布对温度的依赖关系，通过它空间指向的有序度间接得到了与之关联的表面氢键网络有序度的温度依赖关系。与之前已知的空气/冰表面不同，疏水界面的范德华力改变了冰表面的预融化过程。.该工作已处于实验末期，实验数据的精确性和部分细节还在进一步完善中。