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    我国科学家证实二维冰的存在并揭示其生长机制

    日期 2020-01-19   来源:化学科学部   作者:雷惊雷 高飞雪  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金(批准号:21725302, 11888101, 11634001, 11525520)等资助下,北京大学物理学院量子材料中心江颖、徐莉梅与美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成以及北京大学/中国科学院王恩哥等合作,利用高分辨原子力显微镜技术,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,并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程,揭示了其独特的生长机制。研究成果以“Atomic Imaging of Edge Structure and Growth of a Two-dimensional Hexagonal Ice”(二维冰边界结构和生长的原子级成像)为题,于1月2日发表在学术期刊Nature(《自然》)上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1853-4。

      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。早在20世纪20年代,英国著名物理学家、X射线发现者布拉格(Bragg)与其它几位科学家就分别利用X射线对冰晶体结构进行了表征。经过近一百年的研究和探索,迄今人们已经发现冰的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?这个问题有很大的争议。

      江颖等研究人员通过精确控制温度和水压,成功地在疏水的金衬底(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(图. (a)和(b))。研究人员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,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,是一种不依赖于衬底的本征二维冰(图. (c))。1997年,古贺(Koga)和曽晓成等人利用分子动力学模拟首次预测了这种“互锁型”双层二维冰,但一直缺乏确切的结构实验证据。因此,这也是第一种被实验所证实的二维冰结构,研究人员将它正式命名为“二维冰I相”。

      为了进一步揭示二维冰的形成机制,研究人员对二维冰岛的边界进行高分辨成像,发现二维冰的边界是由未重构的锯齿状(图. (d))边界和重构的扶椅状(图. (e))边界构成。同时,研究人员还通过“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,根据理论计算的结果,研究人员认为该生长机制具有一定的普适性,适用于其他疏水的衬底。

      二维冰的发现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。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。

    图.(a)利用qPlus型原子力显微镜技术对Au(111)表面的二维冰进行成像;(b)二维冰的高分辨原子力显微镜图像;(c)二维冰的原子模型;(d)和(e)二维冰岛的锯齿状边界和扶椅状边界对应的“搭桥”式和“播种”式生长模式




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