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冰是地球上最丰富和最重要的晶体材料之一。虽然对冰的研究众多，但令人奇怪的是，有关冰表面的基本理解还只是刚刚开始。这里，通过第一性原理的计算和经验势分子动力学模拟，我们展示了对冰表面结构，融化和吸附的系统研究。
我们都知道当温度处于冰融点以下20～40K时，冰的表面就会变得光滑。但是，对于更低温度下冰的表面却知之甚少，这种温度范围经常出现在高空大气中。通过第一性原理的电子结构模拟，我们得出虽然冰Ih是一种氢原子分布无序的固体，但是在冰的表面上，氢原子分布是有序的。表面上氢原子之间的静电排斥力是导致这种有序性的直接原因，可见冰的表面比通常认为的更为“寒冷”。
除此之外，虽然冰被普遍认为是一种固态晶体，但是以冰表面水分子偶极矩的观点来看，它的表面更加接近一种无定形材料。冰表面层水分子的偶极矩有着出乎意料的巨大分布区间，而这些可以通过表面水分子之间氢键的连接状态得到合理解释：当表面原子上的有效电荷导致的局域电场同水分子本征偶极矩方向一致时，该水分子偶极矩增强;反之则减弱。
在对冰表面有了较深入理解的基础上，我们进一步研究了冰晶形貌，尺寸和预融化温度之间的关系。以半径范围0.5nm到4.0nm(对应含96到9600个水分子)的六角形冰纳米晶粒作为研究对象，我们采用超长时间的经验势分子动力学模拟对它们的融化过程进行了细致研究。综合考虑尺寸效应和预融化的结果，我们证明哪怕温度低至体冰融点以下134K，冰纳米晶粒的表面仍处于液态。
作为冰表面研究应用的一个例子，采用密度泛函框架下的X射线吸收谱模拟，我们考察了单个丙酮分子是如何在冰的底面上吸附的。理论研究支持的吸附图像是丙酮分子躺在冰面上，它的碳链近似平行于冰的表面。理论计算结合实验的X射线吸收谱研究，为人们探索此类吸附问题开辟了一条有效的途径。