摘要：方解石是地球上最常见的矿物之一，在自然和技术过程中发挥着核心作用。“通过了解水如何与方解石表面相互作用，我们可以更好地回答重要的科学和社会问题——从气候保护、环境保护到新材料的开发，”奥斯纳布吕克物理学家菲利普·拉赫博士解释说。

奥斯纳布吕克大学的物理学家更详细地研究了方解石表面的单个水分子。他们的研究成果发表在《ACS Nano》杂志上，对气候和环境保护具有重要意义。

方解石是地球上最常见的矿物之一，在自然和技术过程中发挥着核心作用。“通过了解水如何与方解石表面相互作用，我们可以更好地回答重要的科学和社会问题——从气候保护、环境保护到新材料的开发，”奥斯纳布吕克物理学家菲利普·拉赫博士解释说。

奥斯纳布吕克大学的研究人员利用一种极其灵敏的技术——高分辨率原子力显微镜，成功地对方解石表面单个水分子的排列和方向进行了成像。为此，他们将一个原子级尖锐的探针尖端（尖端附着一个一氧化碳分子）靠近水覆盖的方解石表面。

作用于该探针尖端的力非常局部，能够在亚原子尺度上实现极高的灵敏度和分辨率的测量。通过逐行扫描表面来绘制这些力，从而创建原子结构的图像。

“在对单个水分子进行实验的过程中，我们很早就观察到方解石表面似乎存在两种类型的水分子。这令人惊讶，因为此前在文献中，在封闭的水层中从未观察到这两种水分子之间的差异，”拉赫博士说道。这项实验是在他物理学院“分子量子结构”初级研究小组下进行的。

“我们首先必须在初步实验中进行一些开发，例如特殊的样品架和特殊的测量协议，以便能够对单个水分子进行这些研究，”该研究的第一作者 Jonas Heggemann 博士补充道。

Rahe博士及其团队最近阐明了方解石表面的结构，并发现了表面重构，即表面最上层原子的重新排列。这种重构导致了水可以与表面结合的两个不同位置。

“这个系统的神奇之处在于，水可以抵消这两个位置之间的差异，它实际上会拉动部分表面原子，”拉赫博士解释道。在与芬兰阿尔托大学的亚当·福斯特教授和黄杰合作的研究中，利用从头算模拟精确地理解了这一过程。

水分子在第一个位置的结合仅伴随表面的微小变化，而在第二个位置，表面原子会从重构的结构移回原始晶体结构。这个过程由单个水分子引起，需要能量。因此，尽管局部几何形状相同，但水分子与这两个位置的结合方式却不同。

来源：小猫说科学