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中美科学家发现了第一种二维冰相

发布时间:2020年01月02日    来源:科技日报                          字体:                          

  生物抗冻蛋白如何抗结冰,冰川之间的相对滑移、大气臭氧的降解催化,都与冰的结构和成核生长密切相关。

  经过近百年的探索,人们已经发现了冰的18种三维晶体结构,其中自然界最常见的就是六角形的冰相。然而,是否有稳定存在的二维冰,学术界一直有很大争议。

  近日,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,揭示其特殊的生长机制。北京时间1月2日,该成果在国际顶级学术期刊《自然》发表。

  二维冰由两层六角冰堆叠而成,两层之间靠氢键连接

  早在20世纪20年代,英国著名物理学家、X射线发现者布拉格与其它几位科学家便分别利用X射线“描绘”冰晶体结构,拉开了三维冰结构研究的序幕。2015年,石墨烯发现者安德鲁·盖姆带领的团队在双层石墨烯间发现了一种四方二维冰相,轰动学术界,但这种二维冰随后被质疑是氯化钠的晶体结构,二维冰存在与否一直成谜。

  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,生长出一种单晶二维冰结构。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。”北京大学量子材料中心教授江颖说。

  此次研究发现的二维冰,不再是传统的四面体结构,而是六边形的二维平面结构,表面非常平整。1997年,美国科学家古贺、曾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,但一直缺乏确切的实验证据。因此,此次研究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”。

  怎样才能看到二维冰的形成?研究人员巧妙地将二维冰从-153摄氏度到“速冻”到-268摄氏度,把冰生长过程中的一系列中间状态冻结下来,并对其进行了稳定的成像,最终看清了二维冰在原子尺度的动态生长过程。

  同时,他们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。而且,二维冰边界亚稳态的相对稳定性,与衬底的具体结构几乎无关。

  对于研发防结冰、润滑材料意义重大

  长久以来,冰是如何成核、生长的,大都局限在宏观尺度的研究,缺少微观尺度上的图像。该研究首次实现了二维冰成核生长的原子尺度表征,有助于人们理解冰在低维和受限条件下的形态和生长过程。

  二维冰的发现不仅挑战了一百多年来人们对冰相的传统认识,而且应用前景广阔。“例如,我们最近发现二维冰对于三维冰的生长具有重要影响。如果有二维冰的存在,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。所以我们可以根据二维冰的结构更有针对性的设计和研发防结冰材料。”江颖认为,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,可以起到超润滑的作用。利用二维冰,可以减小材料之间的摩擦。

  同时,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的平台。

  “该研究打开了二维冰家族系列研究的大门,同时,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。”南京航空航天大学郭万林院士评价,该研究改变了人们对二维冰成核和生长的传统认识,对于材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等领域的研究有重要意义。

  中国科学技术大学杨金龙院士认为,该研究突破实验挑战,捕获了二维冰生长过程中的边界原子结构,结合理论计算模拟,揭示了二维冰的生长机制,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。

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