科学家首次证实：冰在二维极限下可稳定存在

近期,北京大学学者江颖、徐莉梅、王恩哥等与合作者利用高分辨原子力显微镜,首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在,将其命名为二维冰I相,它的发现改变了100多年来人们对冰相的传统认识,开启了探究二维冰家族系列的大门,对于未来设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值。该成果1月2日已在国际顶级学术期刊《自然》上发表。参与研究的中国科学院院士王恩哥曾担任北大校长。
冰是水的常见物态,由水分子规则排列形成,其结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学等众多领域具有至关重要的作用。迄今为止,人们已发现冰的18种晶相(三维冰相),然而,冰在二维极限下是否能独立稳定存在?这个问题存在很大争议。近些年来,北大物理学院量子材料科学中心教授江颖、徐莉梅与美国内布拉斯加大学林肯分校教授曽晓成以及中国科学院院士、北大物理学院教授王恩哥等合作,探寻谜底。
二维冰岛内部结构的亚分子级分辨成像。a、b图中从左至右,依次为由高至低不同针尖高度下的原子力显微镜实验图和模拟图;c为二维冰结构的模型示意图的俯视图和侧视图。图像尺寸:1.25 nm x 1.25 nm。在大针尖高度条件下,主要利用高阶静电力成像,可以分辨出平躺水分子(暗点)和竖直水分子(亮点);在中间高度条件下,依靠高阶静电力与泡利排斥力的共同作用,可以分辨出图中红色短线所示的氢键指向信息。图片来自北大新闻网
研究人员通过精确控制温度和水压,成功在疏水的金衬底上生长出了一种单晶二维冰结构,这种二维冰可以完全铺满衬底。他们进一步利用基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术,借助高阶静电力,实现了二维冰的亚分子级分辨成像,并结合理论计算确定了其原子结构。
结果表明,这种二维冰由两层六角冰无旋转堆垛而成,两层之间靠氢键连接,每个水分子与面内水分子形成三个氢键,与面外水分子形成一个氢键,因此所有的氢键都被饱和,结构成都软件外包公司非常稳定,与衬底相互作用很弱,是一种本征的二维冰结构。
该研究首次以实验证实了曽晓成等人20多年前理论预测的“互锁型”双层二维冰的存在,研究人员将它正式命名为二维冰I相。
为进一步揭示二维冰的形成机制,研究人员利用前面发展的非侵扰原子力成像技术对二维冰岛的边界进行高分辨成像,成功确定了二维冰的边界是由未重构的锯齿状边界和重构的扶椅状边界构成。他们还通过“速冻”技术,在边界上捕获了冰生长过程中的中间态结构,并基于这些中间态边界结构重现了二维冰的形成过程,结合理论计算和模拟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。此外,根据理论计算和模拟的结果,研究者认为该生长机制具有一定的普适性,适用于其它疏水的衬底。
二维冰的发现改变了100多年来人们对冰相的传统认识,开启了探究二维冰家族系列的大门,为冰在低维和受限条件下的形态和生长提供了全新的图像。同时,二维冰在很多应用领域也有潜在意义,比如,表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成,这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值;二维冰中水分子所有的氢键都被饱和,因此与表面的相互作用极小,可以起到超润滑作用,减小材料之间的摩擦;此外,二维冰本身也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的平台。
该研究得到了《自然》杂志审稿人的高度认可和赞赏。专家认为,该工作首次实现二维冰的边界和生长结构的高分辨成像,将引起冰成核和受限生长领域研究者的兴趣。
中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林指出,这种二维冰的生长机理与以前所揭示的蜂窝二维材料(如石墨烯、氮化硼)的生长机理在成核和生长动力学方面有一定的类似性,为横跨材料与冰建立更为普适的生长机理提供了重要依据,“这些结果改变了人们对冰成核和生长的传统认识,在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域有着至关重要的意义。”
中国科学院院士杨金龙认为,该研究为人们理解受限空间里冰的生长和形态提供了新视角,具有重要的科学意义。