科學(xué)家首次證實冰在二維極限下可穩(wěn)定存在

原標(biāo)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(rèn)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(dān)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?jǐn)_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?jǐn)_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(rèn)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(rèn)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(rèn)可和贊賞。專家認(rèn)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(rèn)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(rèn)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。