Elastic constants of Ice I$_h$ as described by semi-empirical water models
使用分子动力学模拟，我们计算了冰I $_h$的弹性常数为一组8个常用的半经验势水，即刚性分子SPC/E，TIP 4P，TIP 4P 2005，TIP 4P/冰和TIP 5 P模型，柔性分子qTIP 4P/Fw和SPC/Fw模型和粗粒度原子mW势。从定量角度来看，mW描述给出了最接近实验的各个刚度常数的值，而显式质子模型则显示出巨大的差异。另一方面，与所有的显式质子势相反，mW模型无法再现中心定性趋势，如杨氏模量和剪切模量的各向异性。这表明冰I $_h$的弹性行为与其分子性质密切相关，这在mW模型中已被粗粒化。这些意见是一致的，最近的表现有关的mW模型在冰I $_h$的机械性能的描述的局限性。
2018-11-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
Controllable Freezing Transparency for Water Ice on Scalable Graphene Films on Copper
本研究首次提出石墨烯在铜上的“冻结透明性”概念，发现CVD石墨烯不改变铜上水冻结温度曲线，且通过化学功能化可实现对冻结行为的可控调节或消除透明性。
2024-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Transient adhesion and conductance phenomena in initial nanoscale mechanical contacts between dissimilar metals
我们报告了与针尖润湿相关的瞬态粘附和电导现象，这些现象是由清洁的W（111）针尖压入Au（111）表面产生的机械接触中产生的。结合原子力显微镜和扫描隧道显微镜进行压痕和图像残留的印象在超高真空。在这些实验中使用的~7 nm半径的尖端的制备和其特征在于，在同一仪器中的场离子显微镜。钨尖端的第一个压痕显示出比随后的压痕更大的电导和拉脱粘合力。在~30个压痕到~1.7 nm的深度后，最大电导和粘附力达到稳态值，比它们的初始值小约12倍和6倍。还进行了W（111）针尖到Cu（100）中的压痕，以研究不同衬底的针尖润湿现象的普遍性。我们提出了一个模型，从接触力学的考虑，定量再现观察到的衰减率的电导和附着力下降的1/E衰减常数为9-14压痕周期。结果表明，压痕尖端的表面成分起着重要的作用，在定义的机械和电气性能的压痕接触。
2013-08-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The molecular structure of the H2O wetting layer on Pt(111)
利用扫描隧道显微镜（STM）解析了Pt（111）上冰润湿层的分子结构。先前通过衍射技术观察到的两个结构被成像用于在润湿层完成时或接近完成时的覆盖率。在140 K时只能形成sqrt（37）× sqrt（37）R25.3°超结构，而在130 K时还形成了分子密度略高的sqrt（39）× sqrt（39）R16.1°超结构。在所关注的温度范围内，超结构可逆地通过吸附或脱附的覆盖率的微小变化而相互转化。超结构表现出不同几何形状的分子的复杂图案。
2010-07-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
How square ice helps lubrication
在摩擦的背景下，我们使用原子分子动力学模拟，以调查在很宽的压力范围内的石墨烯片之间的水限制。我们发现，承压水的热平衡在高压下受阻。我们证明，在适当的条件下，方形冰可以在粗糙体中形成，并且它类似于立方冰VII和冰X。我们模拟滑动的原子平面石墨的方冰，并发现由于结构超润滑性极低的摩擦。方冰形成所需的条件对应于低滑动速度，我们认为在湿石墨上的摩擦实验中观察到的冰就是这种类型。
2017-03-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The phase diagram of ice: a quasi-harmonic study based on a flexible water model
本文用准谐波近似研究了冰的相图。所有实验已知的冰相的自由能已计算与灵活的q-TIP4P/F模型的水。唯一的例外是高压冰X，其中对称的O-H-O键的存在阻止了它的建模与此经验的原子间势。我们的方法的简单性，使我们能够研究冰相的状态点的T-P平面，已被省略在以前的模拟使用自由能方法的基础上，热力学积分。在相图中的平均质子无序出现在几个冰相的效果进行了研究。它被发现特别相关的冰III，至少对于通常用于相共存模拟的细胞大小。新的洞察能力的水模型来描述冰相共存。我们发现，H-有序冰IX和XIV，以及H-无序冰XII，是特别稳定的水模型。这一事实与实验数据不符。冰IX的意外大稳定性是与水模型的TIP4P特性相关的属性。只有在省略了这三个稳定的冰相后，计算的相图在对应于冰Ih、II、III、V和VI的T-P区域中才变得与实验相图在合理的定性上一致。在量子和经典极限下的相图计算表明，最重要的量子效应是冰II的稳定性，因为与冰Ih、III和V相比，冰II的零点能较低。
2013-10-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A Taxonomy of Snow Crystal Growth Behaviors: 1. Using c-axis Ice Needles as Seed Crystals
我描述了一种新的方法来分类雪晶形态，重点是最常见的生长行为，出现在正常的空气中恒定的应用温度和水蒸气过饱和的条件下。由此产生的形态结构通常是稳健的，相对于小的环境变化，因此应该特别适合于计算建模。由于自发结构的形成取决于初始条件，籽晶的选择可能是一个重要的考虑因素，我发现细长的c轴冰针为这一系列的研究提供了一个非常好的起点。尖锐的针尖暴露出一个单一的基底表面，这通常简化了随后的形态学发展，并且附近基底的缺乏允许探索具有良好控制的边界条件的宽范围的过饱和。这项工作的首要目标是促进实验室冰生长实验和相应的计算模型之间的详细定量比较，这将大大提高我们对冰/蒸汽分子附着动力学的理解，以及我们在冰/蒸汽系统中模拟扩散限制生长动力学的能力。水冰的这个特定的案例研究广泛地连接到水化学，低温生物学和环境科学的许多领域，而分子附着动力学和扩散限制生长的物理原理更普遍地适用于晶体生长和材料科学的其他系统。
2021-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Monitored wet-etch removal of individual dielectric layers from high-finesse Bragg mirrors
在单个光学器件上沉积定制的介电涂层是极其昂贵的。一种解决方案是在许多光学器件上批量涂覆额外的介电层，然后根据需要从各个光学器件上去除层。在这里，我们提出了一种低成本，单步，监控湿法蚀刻技术，用于可靠地去除（或部分去除）个别SiO $_2$和Ta $_2$ O $_5$介电层，在这种情况下，从高反射率光纤反射镜。通过浸入酸和监测带外反射光，我们表明迭代（或连续）去除六个双层是简单的。在每个阶段，我们用法布里-珀罗腔表征涂层性能，观察到精细度从92，000 $\pm$ 3，000到3，950 $\pm$ 50的预期逐步降低，没有发现增加光学损耗的证据。蚀刻还在单个双层之后去除光纤的侧壁涂层，并且在六个双层之后，将剩余的涂层限制在光纤尖端中心处的直径为$\sim$ 50- $μ$ m的基座上。溶液上方的气相蚀刻产生锥形的“池线索”包层轮廓，在尖端附近以$\sim$ 0.3 $^\circ$的角度将光纤直径（标称125 $μ$ m）减小到$\sim$ 100 $μ$ m。最后，我们注意到，通过这种技术产生的数据提供了一个敏感的估计层的光学深度。这种技术可以很容易地适用于自由空间光学和其他涂层。
2020-06-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Kinetic energy of protons in ice Ih and water: a path integral study
本文用路径积分分子动力学模拟研究了常压下冰和水的氢和氧核的动能。通过使用q-TIP 4P/F模型进行模拟，该模型是一种点电荷经验势，包括水分子OH伸缩中的分子柔性和非谐性。冰Ih在210-290 K之间的温度范围内进行了研究，水在230-320 K之间。在210-320 K温度范围内对孤立水分子进行了模拟，以估计分子内振动模式对动能的贡献。我们的结果质子动能，K_H，在水和冰Ih的协议和差异与不同的出版数据的基础上深非弹性中子散射实验。在实验熔点和290-300 K范围内发现水的协议。这是因为散射实验的数据预测水中的K_H在270 K和277 K附近有两个极大值，而在269 K时冰中的K_H比水中的K_H低。作为一个检查的有效性所采用的水的潜力，我们表明，我们的模拟是一致的与其他实验热力学性质有关的K_H，作为液体密度的温度依赖性，在恒定压力下的水和冰的热容量，和同位素位移的冰的熔化温度后，同位素取代的H或O原子。此外，用q-TIP 4P/F模型计算的冰Ih的KH随温度的变化关系与用从头算密度泛函理论计算的路径积分结果吻合较好.
2011-08-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ice Formation via Deposition Mode Nucleation on Bare and Alcohol-covered Graphite Surfaces
水在气溶胶颗粒上的沉积有助于在大气中形成冰云，对地球上的水循环和气候产生影响。非均质冰成核过程受基质物理化学性质的影响，但其机制仍不完全清楚。在这里，我们报告冰的形成裸和酒精覆盖的石墨在175至213 K的温度下，探测弹性氦和光散射。水在裸露的和丁醇覆盖的石墨上具有低润湿性，导致粗糙的冰表面的生长。相比之下，预吸附的甲醇提供亲水性表面位点，并导致形成光滑的结晶冰;亚单层甲醇覆盖的效果也很明显。醇主要存在于冰表面和冰-石墨界面处，其中小部分被掺入到生长的冰结构中。甲醇对气/固水蒸气交换没有明显的影响，而丁醇作为水的传输屏障，导致在185 K下冰蒸发速率的降低。沉积模式冻结的描述的影响进行了讨论。
2013-09-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Homogeneous nucleation of ice
冰成核是物理、化学、工艺和环境科学中的一个重要过程，人们在理论和实验上对它进行了大量的研究，但它仍然是一个热门的研究课题。我们揭示了这一现象，通过执行基于原子的模拟。使用metadaptics和一组精心设计的集体变量，能够模拟水和冰之间的可逆转换。在全原子TIP 4P/Ice模型下，发现水冻结成一种堆积无序结构，揭示了微观水平上的临界成核特征。我们的研究结果与最近的实验和其他理论工作，并确认成核之前，大量增加四面体配位的水分子。
2019-01-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Phase equilibrium of liquid water and hexagonal ice from enhanced sampling molecular dynamics simulations
本文采用增强采样分子动力学模拟研究了由TIP 4P/Ice原子间相互作用势模型模拟的液态水和冰Ih之间的相平衡。我们的方法是基于计算冰Ih液体自由能的差异，可逆地访问两个阶段的模拟。通过引入静态偏置电位作为序参量的函数，实现了可逆的相互转换。调整序参量使氧在冰Ih中结晶为六方金刚石结构。我们分析了系统尺寸对冰Ih-液体自由能差的影响，并在热力学极限下得到了270 K的熔化温度。这一结果与热力学积分（272 K）和共存模拟（270 K）的估计一致。由于序参量不包括有关质子坐标的信息，自发形成的固体构型包含如冰Ih所预期的质子无序。
2020-05-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Analysis of water ice in nanoporous copper needles using cryo atom probe tomography
本研究提出使用纳米多孔Cu针作为物理框架承载水冰，克服了冷冻液体样品制备的困难，通过APT分析揭示了其微观结构及简化质谱的优势。
2024-02-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
An Investigation of Laboratory-Grown "Ice Spikes"
我们已经研究了10-50毫米长的“冰钉”的形成，当水凝固时，冰钉有时会出现在水的自由表面。通过在不同条件下冷冻水，我们测量了冰钉形成的概率作为以下因素的函数：1）冷冻室中的空气温度，2）冷冻室中的空气运动（其促进蒸发冷却），3）水中溶解的盐的量，以及4）冷冻容器的尺寸、形状和组成材料。我们发现，当空气温度接近-7摄氏度，水是纯净的，冷冻室中的空气是流动的时，冰穗形成的可能性最大。即使是少量的溶解固体也会大大降低冰峰形成的可能性。在最佳条件下，普通冰块托盘中大约一半的冰块会形成冰钉。在这些观测的指导下，我们研究了巴利-多尔西冰钉形成模型。在这个模型中，凝固过程中的密度变化迫使过冷水通过中空的冰管，在那里它在边缘冻结以延长管。我们认为，水中任何溶解的固体都倾向于集中在生长的冰钉的尖端，并抑制其生长。这可以定性地解释观察到的冰钉不容易形成使用水含有甚至少量的溶解固体。
2003-10-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Deciphering Noise in tip--sample Interactions: Insights into Nanoscale Dynamics
Universidad Politécnica de Cartagena（卡塔赫纳理工大学）
本文发现环境条件下针尖-样品相互作用引入的非热噪声显著超过热背景，通过SDS/石墨模型系统表征该噪声源于纳米液颈的随机形成与断裂，提供与KPFM互补的化学对比，并提出FM-DAFM可解耦耗散效应实现高分辨成像。
2026-06-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Local excitation of kagome spin ice magnetism in HoAgGe seen by scanning tunneling microscopy
本研究利用扫描隧道显微镜的非弹性隧穿针尖翻转 HoAgGe 中的局域自旋，观测并建模了 kagome 自旋冰磁性的局域演生激发。
2024-08-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Quantum path integral simulation of isotope effects in the melting temperature of ice Ih
本文用统计力学的路径积分公式计算了冰的熔化温度Ih的同位素效应。同位素之间的自由能差异与它们的动能对同位素质量的依赖性有关。通过使用q-TIP 4P/F模型进行水模拟，该模型是一种点电荷经验势，其包括水分子的OH伸缩中的分子柔性和非谐性。该模型在常压下的熔化温度（T = 251 K），在氘和氚同位素取代氢后分别提高了6.5 ± 0.5K和8.2 ± 0.5K。这些温度变化大于实验值（分别为3.8 K和4.5 K）。在经典极限下，熔化温度与氚化冰的熔化温度几乎相同。这种出乎意料的行为是合理的分子间相互作用和分子的灵活性之间的耦合。这种耦合使得OH伸缩模的动能在液相中比在固相中大。然而，相反的行为被发现的分子内模式，显示更大的动能在冰比在液态水。
2011-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Dehydration drives damage in the freezing of brittle hydrogels
该研究通过冻结脆性水凝胶实验，揭示冻结损伤并非由水结冰膨胀或充冰空腔生长引起，而是由冷冻吸力驱动的局部脱水导致干燥诱导断裂，并指出其与干燥开裂的强类比及在低温保存、食品科学和冻胀等领域的应用价值。
2024-01-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
