Enhanced structural disorder at a nanocrystalline ice surface

文献情報

出版日 2019-09-10
DOI 10.1039/C8CP07269H
インパクトファクター 3.676
著者

Yuji Otsuki, Kazuya Watanabe, Yoshiyasu Matsumoto


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要旨

Detailed knowledge of the structure and dynamics of the surface of ice particles is of considerable importance for understanding catalytic reactions in the upper atmosphere. Here we report the enhanced structural disorder specific at a nanoscale ice island studied by using heterodyne-detected vibrational sum-frequency generation spectroscopy under ultrahigh vacuum. Ultrathin films of isotopically diluted HOD crystalline ice are grown on Rh(111), whose average height (≥1.4 nm) is controlled by varying the nominal film thickness. The Im χ(2) spectrum of the hydrogen-bonded O–H stretching band shows a bipolar line shape reflecting the orientation-dependent hydrogen bond length alternation in the subsurface of the ice island. The peak splitting and the bandwidth of the bipolar spectrum increase with a decrease in the nominal film thickness. This is ascribed to the significant enhancement of structural disorder at the surface of the ice island as the terrace size is decreased. Temperature dependence of the Im χ(2) spectra of the hydrogen bonded O–H stretching band indicates that the thermal expansivity of the top layer increases upon decreasing the island size. In addition, the stretching frequency of the dangling OD band at the island surface with the average height less than 18 nm shows a systematic blue shift with increasing temperature from 100 to 145 K: this is in stark contrast to thick ice films and bulk ice showing a negligible peak shift at a temperature lower than 180 K. These findings indicate that the anharmonicity of the intermolecular potential at the top layer of the ice island is strongly enhanced upon decreasing its terrace size, providing valuable insights for understanding the properties of ice particles in the outer atmosphere including polar mesospheric clouds.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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