近百年來，人類發(fā)現(xiàn)了冰的18種三維結(jié)構(gòu)，其中最常見的就是六角形的冰相，例如飄落的雪花、解暑的冰塊、南極的厚冰層。但自然界是否有穩(wěn)定存在的二維冰，一直缺乏確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。北京大學(xué)、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校以及中國科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，利用高分辨qPlus型原子力顯微鏡技術(shù)，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了二維冰的存在，并以原子級(jí)分辨率拍到了二維冰的形成過程，揭示了其特殊的生長(zhǎng)機(jī)制。該成果2日發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》。
在此次研究中，科研人員精確控制溫度和水壓，在疏水的金襯底上，首次生長(zhǎng)出這種單晶二維冰結(jié)構(gòu)。他們將非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)運(yùn)用于二維冰的亞分子級(jí)分辨成像，再結(jié)合理論計(jì)算確定了其原子結(jié)構(gòu)。
“結(jié)果表明，二維冰由兩層六角冰無旋轉(zhuǎn)堆疊而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個(gè)水分子與同一層的水分子形成三個(gè)氫鍵，與上下層的水分子形成一個(gè)氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，是一種可以獨(dú)立存在的‘自飽和’二維冰。”文章通訊作者之一、北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心教授江穎說，這也是第一種被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的二維冰結(jié)構(gòu)，研究人員將它命名為“二維冰I相”。
怎樣才能看到二維冰的形成？研究人員將二維冰從零下153攝氏度“速凍”到零下268攝氏度，把冰生長(zhǎng)過程中的一系列中間狀態(tài)凍結(jié)下來，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定的成像，提出了二維冰島鋸齒狀邊界的“搭橋”式生長(zhǎng)和扶椅狀邊界的“播種”式生長(zhǎng)機(jī)制。
二維冰的發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了100多年來人們對(duì)冰相的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，而且應(yīng)用前景廣闊。“如果有二維冰存在，三維冰會(huì)貼著表面生長(zhǎng)，非常穩(wěn)固。但如果沒有二維冰，形成的三維冰與表面接觸面很小，很容易被風(fēng)吹走。我們可以根據(jù)二維冰的結(jié)構(gòu)更有針對(duì)性地設(shè)計(jì)和研發(fā)防結(jié)冰材料。”江穎認(rèn)為，利用二維冰，可以減小材料之間的摩擦。此外，二維冰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(cè)、冷凍電鏡成像等研究提供全新平臺(tái)。（金鳳）