二维冰存在及生长机制首获证实

近百年来，人类发现了冰的18种三维结构，其中最常见的就是六角形的冰相，例如飘落的雪花、解暑的冰块、南极的厚冰层。但自然界是否有稳定存在的二维冰，一直缺乏确切的实验证据。北京大学、美国内布拉斯加大学林肯分校以及中国科学院的研究团队，利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术，首次在实验上证实了二维冰的存在，并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程，揭示了其特殊的生长机制。该成果2日发表于国际顶级学术期刊《自然》。
在此次研究中，科研人员精确控制温度和水压，在疏水的金衬底上，首次生长出这种单晶二维冰结构。他们将非侵扰式原子力显微镜成像技术运用于二维冰的亚分子级分辨成像，再结合理论计算确定了其原子结构。
“结果表明，二维冰由两层六角冰无旋转堆叠而成，两层之间靠氢键连接，每个水分子与同一层的水分子形成三个氢键，与上下层的水分子形成一个氢键，因此所有的氢键都被饱和，结构非常稳定，是一种可以独立存在的‘自饱和’二维冰。”文章通讯作者之一、北京大学量子材料科学中心教授江颖说，这也是第一种被实验证实的二维冰结构，研究人员将它命名为“二维冰I相”。
怎样才能看到二维冰的形成?研究人员将二维冰从零下153摄氏度“速冻”到零下268摄氏度，把冰生长过程中的一系列中间状态冻结下来，并对其进行稳定的成像，提出了二维冰岛锯齿状边界的“搭桥”式生长和扶椅状边界的“播种”式生长机制。
二维冰的发现不仅挑战了100多年来人们对冰相的传统认识，而且应用前景广阔。“如果有二维冰存在，三维冰会贴着表面生长，非常稳固。但如果没有二维冰，形成的三维冰与表面接触面很小，很容易被风吹走。我们可以根据二维冰的结构更有针对性地设计和研发防结冰材料。”江颖认为，利用二维冰，可以减小材料之间的摩擦。此外，二维冰可以作为一种特殊的二维材料，为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新平台。