二维冰的结构及其生长机制研究进展
水和冰在自然界中广泛存在，冰的结构与成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学以及行星科学等众多领域具有至关重要的作用，这些过程往往与微观尺度上水分子与表面或者水分子之间的相互作用相关。受限于之前的研究方法和手段，尽管存在大量的实验和理论研究，冰成核和生长的微观机理却仍旧存在许多争议与疑问。因此，从原子尺度上对冰结构和成核生长过程进行准确的表征和研究具有极为重要的意义。研究者利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)和非接触式原子力显微镜(NC-AFM)联合系统，通过对qPlus针尖进行化学修饰，借助针尖与水分子之间的高阶静电力，成功实现在实空间中对Au()表面上的双层二维冰结构的高分辨成像，确认了其“互锁式”氢键构型，并进一步通过对二维冰边界结构的非侵扰式成像，首次观测到二维冰生长过程中边界上的一系列中间态和亚稳态。之后通过结合第一性原理计算和分子动力学模拟，提出了二维冰锯齿状和扶椅状边界的两种生长机制。这在原子尺度上揭示了二维冰成核生长的过程和机理，为研究原子尺度上冰的生长过程提供了一种新途径，并能拓展到广泛的二维材料体系研究中。
文管冬，江颖(北京大学物理学院量子材料科学中心)年1月2日，国际顶级学术期刊《自然》发表了一篇中国科学家关于二维冰的研究工作[1]。该工作利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术，首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在(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。该工作由北京大学物理学院量子材料科学中心江颖、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完成。
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二维冰的基本介绍
水是生命之源，是地球上最常见也是最重要的物质之一。水在生命的形成以及生命的维持过程中，参与了众多的化学反应过程，包括生物体的新陈代谢、恒温动物的体温调节、绿色植物的光合作用等重要过程；同时，水也在工业生产中扮演了重要的角色，在降温、发电、电镀、催化等过程中，水的物理和化学性质得到了相应的应用。
冰是日常生活与工业生产中水的一个常见相态。由于水在生命循环以及地球化学反应中的重大作用，冰的结构以及冰的形成、融化也有着举足轻重的影响。其作为重要的介质或者基底，参与到众多的物理和化学过程中，其中包括大气中气体分子的催化反应、大气中云和降雨的形成、生物体内抗冻蛋白与冰的相互作用、高山冰川的滑移、抗结冰材料的研制等等。早在20世纪20年代，英国著名物理学家、X射线发现者Bragg[2]与其他几位科学家分别利用X射线衍射分析对冰晶体结构进行表征，得到了冰晶体的宏观对称性与微观结构的对应关系，为在分子尺度上对冰晶体结构以及冰成核生长的研究作出了奠基性贡献。经过近年的研究和探索，迄今人们已经发现了冰的18种晶相(三维冰相)[3]，其中自然界最常见的冰相为六角结构的IceIh相(图1(a)和1(b))。然而，冰在二维极限下是否能稳定存在？这个问题有很大的争议。一般认为，在单层极限下，二维冰具有相当数量的未饱和氢键，需要靠与衬底的相互作用来使得结构稳定。但如此一来，二维冰的结构就非常依赖于衬底的结构和对称性，并不是真正意义上的本征二维冰。年，石墨烯发现者AndreGeim带领的团队在双层石墨烯间发现了一种与表面结构无关的四方二维冰相[4]，引起了学术界的强烈反响，但这种二维冰随后被质疑是NaCl的晶体结构[5]。二维冰存在与否一直悬而未决。图1(a)南极罗斯海上的厚冰层(图片来自转载请注明：http://www.chengfangbj.com/sszy/4804.html
