科學(xué)家首次證實冰在二維極限下可穩(wěn)定存在

原標題：王恩哥等科學(xué)家首次證實 冰在二維極限下可穩(wěn)定存在

近期，北京大學(xué)學(xué)者江穎、徐莉梅、王恩哥等與合作者利用高分辨原子力顯微鏡，首次在實驗上證實了冰在二維極限下可以穩(wěn)定存在，將其命名為二維冰I相，它的發(fā)現(xiàn)改變了100多年來人們對冰相的傳統(tǒng)認識，開啟了探究二維冰家族系列的大門，對于未來設(shè)計和研發(fā)防結(jié)冰材料具有潛在的應(yīng)用價值。該成果1月2日已在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。參與研究的中國科學(xué)院院士王恩哥曾擔任北大校長。

冰是水的常見物態(tài)，由水分子規(guī)則排列形成，其結(jié)構(gòu)與成核生長在材料科學(xué)、摩擦學(xué)、生物學(xué)、大氣科學(xué)等眾多領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用。迄今為止，人們已發(fā)現(xiàn)冰的18種晶相（三維冰相），然而，冰在二維極限下是否能獨立穩(wěn)定存在？這個問題存在很大爭議。近些年來，北大物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎、徐莉梅與美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校教授曽曉成以及中國科學(xué)院院士、北大物理學(xué)院教授王恩哥等合作，探尋謎底。

二維冰島內(nèi)部結(jié)構(gòu)的亞分子級分辨成像。a、b圖中從左至右，依次為由高至低不同針尖高度下的原子力顯微鏡實驗圖和模擬圖；c為二維冰結(jié)構(gòu)的模型示意圖的俯視圖和側(cè)視圖。圖像尺寸：1.25 nm x 1.25 nm。在大針尖高度條件下，主要利用高階靜電力成像，可以分辨出平躺水分子（暗點）和豎直水分子（亮點）；在中間高度條件下，依靠高階靜電力與泡利排斥力的共同作用，可以分辨出圖中紅色短線所示的氫鍵指向信息。圖片來自北大新聞網(wǎng)

研究人員通過精確控制溫度和水壓，成功在疏水的金襯底上生長出了一種單晶二維冰結(jié)構(gòu)，這種二維冰可以完全鋪滿襯底。他們進一步利用基于一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術(shù)，借助高階靜電力，實現(xiàn)了二維冰的亞分子級分辨成像，并結(jié)合理論計算確定了其原子結(jié)構(gòu)。

結(jié)果表明，這種二維冰由兩層六角冰無旋轉(zhuǎn)堆垛而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個水分子與面內(nèi)水分子形成三個氫鍵，與面外水分子形成一個氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，與襯底相互作用很弱，是一種本征的二維冰結(jié)構(gòu)。

該研究首次以實驗證實了曽曉成等人20多年前理論預(yù)測的“互鎖型”雙層二維冰的存在，研究人員將它正式命名為二維冰I相。

為進一步揭示二維冰的形成機制，研究人員利用前面發(fā)展的非侵擾原子力成像技術(shù)對二維冰島的邊界進行高分辨成像，成功確定了二維冰的邊界是由未重構(gòu)的鋸齒狀邊界和重構(gòu)的扶椅狀邊界構(gòu)成。他們還通過“速凍”技術(shù)，在邊界上捕獲了冰生長過程中的中間態(tài)結(jié)構(gòu)，并基于這些中間態(tài)邊界結(jié)構(gòu)重現(xiàn)了二維冰的形成過程，結(jié)合理論計算和模擬提出了二維冰島鋸齒狀邊界的“搭橋”式生長和扶椅狀邊界的“播種”式生長機制。此外，根據(jù)理論計算和模擬的結(jié)果，研究者認為該生長機制具有一定的普適性，適用于其它疏水的襯底。

二維冰的發(fā)現(xiàn)改變了100多年來人們對冰相的傳統(tǒng)認識，開啟了探究二維冰家族系列的大門，為冰在低維和受限條件下的形態(tài)和生長提供了全新的圖像。同時，二維冰在很多應(yīng)用領(lǐng)域也有潛在意義，比如，表面上的二維冰可以促進或抑制三維冰的形成，這對于設(shè)計和研發(fā)防結(jié)冰材料具有潛在的應(yīng)用價值；二維冰中水分子所有的氫鍵都被飽和，因此與表面的相互作用極小，可以起到超潤滑作用，減小材料之間的摩擦；此外，二維冰本身也可以作為一種特殊的二維材料，為高溫超導(dǎo)電性、深紫外探測、冷凍電鏡成像等研究提供全新的平臺。

該研究得到了《自然》雜志審稿人的高度認可和贊賞。專家認為，該工作首次實現(xiàn)二維冰的邊界和生長結(jié)構(gòu)的高分辨成像，將引起冰成核和受限生長領(lǐng)域研究者的興趣。

中國科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)教授郭萬林指出，這種二維冰的生長機理與以前所揭示的蜂窩二維材料（如石墨烯、氮化硼）的生長機理在成核和生長動力學(xué)方面有一定的類似性，為橫跨材料與冰建立更為普適的生長機理提供了重要依據(jù)，“這些結(jié)果改變了人們對冰成核和生長的傳統(tǒng)認識，在材料科學(xué)、摩擦學(xué)、生物學(xué)、大氣科學(xué)以及行星科學(xué)等眾多領(lǐng)域有著至關(guān)重要的意義。”

中國科學(xué)院院士楊金龍認為，該研究為人們理解受限空間里冰的生長和形態(tài)提供了新視角，具有重要的科學(xué)意義。