Nature：首次实现二维冰的边界和生长结构的高分辨成像
芣苢
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。经过了近一百年的研究和探索，迄今人们已经发现了冰的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？这个问题有很大的争议。近日，北京大学江颖，徐莉梅，王恩哥，美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成等通过精确控制温度和水压，成功在疏水的金衬底（Au(111)）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。作者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，结构非常稳定，与衬底相互作用很弱，是一种本征的二维冰结构。为了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。作者还通过“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。该工作改变了一百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给了全新的图像。同时，二维冰在很多应用领域也有潜在意义。(本文参考自北京大学国际量子材料中心官网)
Runze Ma, Duanyun Cao, Chongqin Zhu, Ye Tian, Xiao Cheng Zeng*, Li-Mei Xu*, En-Ge Wang,* Ying Jiang*, et al. Atomic imaging of the edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice. Nature, 2019
DOI: 10.1038/s41586-019-1853-4
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1853-4
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