继今年8月首次刊登我校关于水的分子团簇、超薄膜、和表面的超固态反常物性的研究成果后，美国《物理化学快报》(j phys chem lett 4, 2565; 3238)再次发表我校材料与光电物理学院在研究水和冰在全温段内质量密度和声子频率的温驱反常震荡行为和物理机制的新进展。
众所周知，水在结冰后其密度降低使约十分之一体积的冰浮在水面上。这一现象对人类生存以及维持地球和生态环境的协调至关重要。譬如，浮冰屏蔽外界低温可使水内如鱼类生物在寒冷的冬天能够持续生存繁衍。但是，水在受冷时体积膨胀并浮起的物理机制一直是公认的难题。对此现象的解释已形成多家学派和诸多唯象假说。
我校材料与光电物理学院“控键科学与工程”团队及合作者发现事实远远不止于此。水和冰的密度和振动频率在全温区内呈现四段温驱振荡特征。水在液态和固态区显示似乎“寻常”但以不同速率的热胀冷缩现象而在结冰和超低温度时出现反常的冷胀热缩现象。该合作团队将理论计算和实验测量相结合系统地证实了他们首次提出的关于氢键的库伦耦合非对称双振子模型以及氢键分段非对称热力学参量和关联弛豫的理论预测。从根本上完整、自洽、定量地阐明了冰和水的密度及声子频率的温驱振荡特性及机制并证明冰比水的氧-氧间距增大而使部分冰浮在水面上。
所验证的库伦耦合非对称双振子和双重极化模型，可以普遍推广用以解释譬如石墨、氧化石墨烯、和钨酸锆等显示的负热胀系数效应以及含有氧、氮、氟等表界面的原子尺度超润滑无损摩擦机理。
相关链接：
1、http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jz401380p
2、http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jz401029z
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