【蔻享科讯】北大团队首次证实二维冰的存在
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导读：本文5318个字，阅读全文大约需10分钟。开头18分钟视频专门介绍二维冰的发现。点击文末“阅读原文”可观看1小时06分钟完整报告视频。本文除介绍该工作的研究背景、发现及意义外，文末还提供了杨金龙院士和郭万林院士的专家点评。
江颖博士介绍二维冰的发现
这一工作通过获得表面二维六角形冰生长过程中边界演变的原子分辨图像，结合理论计算模拟，揭示了表面二维六角形冰的生长机制，为人们理解受限空间里冰的生长和形态提供了新视觉，具有重要的科学意义。
中国科学技术大学杨金龙院士点评
在受限空间和表面上，低维冰的形成和生长是一种普遍现象。在金属、绝缘体、石墨与石墨烯表面、以及强束缚体系中，人们都发现了这种现象。目前人们已经获得了水的吸附层和二维冰的结构图像，但是为了揭示二维冰的生长机制，需要了解其生长过程中处于亚稳态和中间态的边界原子结构。由于这些亚稳态和中间态很脆弱、寿命很短，在实验中捕获它们是一件极具有挑战的工作。
传统扫描隧道显微镜（STM）常用于研究表面的二维冰结构，但是由于STM针尖对原子核位置不敏感以及针尖带来的微扰，使得STM技术很难解析二维冰的边界结构。另一方面，透射电子显微镜（TEM）可以分辨边界结构，但是高分辨TEM需要使用高能电子，往往会改变、甚至破坏二维晶体材料的边界结构。
在这个工作中，北京大学的江颖、王恩哥、徐莉梅和美国内布拉斯加州大学林肯分校的曾晓成等人采用基于qPlus的非接触原子力显微术（NC-AFM）和一氧化碳修饰的针尖，利用针尖尖端的高灵活性和微弱的高阶静电力，实现了Au (111) 表面二维双层六角形冰边界原子结构的非侵扰式高分辨成像，发现了一种与传统二维六角形晶体中常见的锯齿型边界共存的边界结构，并进一步在低温下捕获了被冻结的中间态边界结构。
通过结合计算模拟，这些实验图像可以帮助科学家重建二维六角冰的生长过程。这一工作通过获得表面二维六角形冰生长过程中边界演变的原子分辨图像，结合理论计算模拟，揭示了表面二维六角形冰的生长机制，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。
南京航空航天大学郭万林院士点评
最近的研究更是揭示了水的长程作用对结构的影响，导致水呈现更复杂的微观结构。当水与固体表面接触时，水的结构受到基底的约束和界面相互作用的影响，其氢键结构显著不同于自由状态的情况，在极限情况下会出现冰的结构行为。事实上，固体表面上二维冰的结构和生长是学术界和工业界人们普遍关心的问题。虽然经过了多年的研究，学术界对二维冰是否能稳定存在一直存在很大争论。
近期，北京大学江颖、王恩哥与合作者利用高分辨原子力显微镜，首次在实验上证实了一种二十多年前理论预测的“互锁型”双层二维冰结构，并在所发表的论文中正式将其命名为二维冰I相，打开了二维冰家族系列研究的大门。
不仅如此，原子尺度上冰的生长研究也是极具挑战性的方向。该工作巧妙地通过“速冻”和捕捉二维冰边界的各种亚稳态结构，结合分子动力学模拟，在实空间重现了锯齿和扶手椅边界上截然不同的生长过程，揭示了这种双层二维冰独特的生长机理，这有助于理解低维冰乃至体相冰的形成。
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，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二维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。
图 | 江颖
江颖，北京大学物理学院量子材料科学中心博雅特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，美国物理学会会士（APS Fellow）。主要从事凝聚态物理和化学物理研究。发表论文 40 余篇，其中包括《科学》2 篇、《自然》3 篇、《自然》子刊8 篇。受邀在美国物理学会年会、美国化学学会年会、美国真空学会年会等国际会议上作邀请报告 70 余次。担任 Chemical Physics、Advanced Quantum Technologies 等国际杂志的编委、美国物理联合会中国顾问委员会委员、中国青年科技工作者协会第五届常务理事等职务。曾获高等学校科学研究优秀成果奖一等奖、英国皇家物理学会IOP-JPhys Emerging Leaders、陈嘉庚青年科学奖、中国青年科技奖、北京大学教学优秀奖等荣誉。其研究成果曾于2016和2018年两度入选中国科学十大进展和中国十大科技进展新闻。
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