王立芬：原位电镜追踪冰生长，确认立方冰存在

科海拾贝

Research Highlights

本期我们介绍的是中国科学院物理研究所王立芬副研究员近期的代表性工作，发表在Nature杂志上，为一个系列原位材料生长显微工作的延续。具体代表性论文包括：

"Tracking cubic ice at molecular resolution"

Nature 10.1038/s41586-023-05864-52023.

"Microscopic Kinetics Pathway of Salt Crystallization in Graphene Nanocapillaries"

Physical Review Letters 2021, 126 (13), 136001.

"Synthesis of Honeycomb-Structured Beryllium Oxide via Graphene Liquid Cells."

Angewandte Chemie International Edition 2020, 59 (36), 15734-15740.

原文摘要

Ice is present everywhere on Earth and has an essential role in several areas, such as cloud physics, climate change and cryopreservation. The role of ice is determined by its formation behaviour and associated structure. However, these are not fully understood. In particular, there is a long-standing debate about whether water can freeze to form cubic ice—a currently undescribed phase in the phase space of ordinary hexagonal ice. The mainstream view inferred from a collection of laboratory data attributes this divergence to the inability to discern cubic ice from stacking-disordered ice—a mixture of cubic and hexagonal sequences. Using cryogenic transmission electron microscopy combined with low-dose imaging, we show here the preferential nucleation of cubic ice at low-temperature interfaces, resulting in two types of separate crystallization of cubic ice and hexagonal ice from water vapour deposition at 102 K. Moreover, we identify a series of cubic-ice defects, including two types of stacking disorder, revealing the structure evolution dynamics supported by molecular dynamics simulations. The realization of direct, real-space imaging of ice formation and its dynamic behaviour at the molecular level provides an opportunity for ice research at the molecular level using transmission electron microscopy, which may be extended to other hydrogen-bonding crystals.

doi.org/10.1038/s41586-023-05864-5

寻幽问径

Scholar Insights

我们采访了本文作者王立芬副研究员，以了解她的研究思路和研究心得。

王

立

芬

教授

科技部“973计划”首席科学家

国家青年海外高层次人才

2014年于中科院物理所获得博士学位，2014-2018年在美国阿贡国家实验室继续博士后研究。2018年9月以副研究员加入物理所。2022年12月起至今任博士生导师。主要研究方向是通过发展透射电子显微学方法探索微观物理机制。

您开展这项研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

这项立方冰研究是在好奇心驱动下的一个偶然发现。我从科学启蒙时期进入中科院物理所王恩哥院士团队，2008年左右就开始听师兄、师姐讲一些关于水的很有意思的科学问题。但受限于实验条件，当前对水的研究基本上是理论快于实验研究。对于水实验研究的萌芽，受益于团队熏陶，也在悄然伴随科研生涯在成长。开展实验的契机是，我在泛读文献的过程中，发现有关水的实验可以开始用一种特殊的石墨烯纳米囊泡的方法来做。我就迅速找王老师组做材料的师兄，寻求关于石墨烯的帮助和合作。就这样，受最新实验技术进展的启发，开始尝试把微量的水包裹在两片单层的石墨烯中间，再把这种包裹了水的石墨烯纳米囊泡放到透射电镜的样品杆上，开始去摸索关于水的一些微观行为显微观测。

设想的最初是验证水在石墨烯纳米囊泡中的微观热力学行为，因为纳米限域环境中的水在以往理论报道中会有很不一样的结晶行为。但是在用两片单层石墨烯包裹水的实验过程中，用的即使是超净间里净化过的水，里边总是会有微量的杂质。像食盐或者样品杆上的有些微颗粒会被包裹到石墨烯囊泡里边。对于我们用来实验观察的原子分辨透射电镜来说，非常微量的材料都变得很宏量。在观察这些杂质的时候发现它们的结晶行为跟在相对开放环境中的结晶行为很不一样。基于这些观察，我们发表了论文代表2和3。

随后我们继续观察纳米囊泡中的水。因为水在电子束下很容易电离分解，在纳米囊泡中生成很多小气泡，不利于透射电镜观察。我们就通过设计冷冻杆，把石墨烯纳米囊泡整个冷冻起来。结果发现冷冻的过程中，石墨烯内外都在结冰，分不清观察的样品到底是里边还是外边的晶体。我们就暂时先抛开纳米囊泡，先看看冷冻表面沉积的是什么冰晶，打算排除掉表面的冰晶后再去看囊泡里边的水结构。就这样，我们观察到电镜镜筒中残存的水蒸气在单层石墨烯表面冷凝成冰，发现获得的冰大多是一种单晶相的、具有金刚石立方结构的冰晶。

通过对照以往研究，我们发现实验中直接观察到结晶生长的这个冰实际是一种处于科学界争议过百年的一种冰相。以往关于它是否存在这一点有非常多的讨论，但始终缺乏直观有效的证据。就这样我们的实验通过原位高分辨透射电镜的实时、原位观察，以直观、确凿的实验证据成功解决掉了冰领域里边，广受关注的一个争议问题。

总结来讲，虽然当前对冰的科学研究已跨度过百年，但对冰的微观理解依然存在着大量的未解之谜和争议，值得未来更多的科学家加入，一起去探索。

完成这项研究需要采取什么领先或特殊的计算方法/实验手段？

能完成这项研究，最主要是我们用了低剂量成像的原位冷冻透射电镜技术。这项技术本身并不新颖，在很多生物领域已经有大量的应用。比较特殊的一点是我们的原位冷冻杆是在电镜镜筒中降温，使样品台上的如单层石墨烯等衬底逐渐从室温降温到-170°左右。这样，真空中残存的水蒸气可以慢慢凝结到衬底上结冰，这时候通过无损伤、低剂量的电子束对冰的结晶过程进行分子分辨的实时捕捉成像，就可以直观观察冰的晶体结构、生长方式、常见缺陷和缺陷行为了。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

之前的实验中，没有用透射电镜成像来观察冰生长的先例，原因在于高能电子束极其容易破坏掉冰结构。我们在实验条件的摸索过程中，主要是摸索低电子束剂量的成像条件，还有就是实现结冰过程的超高分辨观察。这两项都很有难度。对于电子束剂量问题，我们通过商业化的低剂量相机解决掉了这个问题。原位观察的主要问题来自于冷冻样品台的漂移和机械振动。这个冷冻条件摸索实验也得到了很多所内电镜专业老师的帮助，最终通过冷冻样品台的机械加固，解决掉了漂移和振动的问题。

研究结果的创新性和重要性具体体现在哪些方面？

立方冰的原位电镜观察结果首次从微观尺度表征了冰的异质结晶过程，阐述了立方冰的优先异质形核，对于异质界面的冰结晶提供了新观点。重要的是，实验中发现的异质形核结晶过程中的单晶、纯相的立方冰为破解立方冰能否自然形成的争议问题提供了直观、确凿的实空间证据。

您的合作者提供了哪些帮助？如何看待这项研究？

当初步摸索出较好的实验参数，我第一时间向我们中科院物理所的合作团队和北京大学的合作团队进行了汇报。各位合作者给予了详细而扎实的指导和建议。我清楚的记得，当时王老师说：立方冰的实空间数据这么清楚、确凿，没有哪个杂志会不喜欢的。

论文在投审稿过程中遇到了什么让您记忆深刻的事情？

论文的投稿过程其实是水到渠成的。经过了一轮的审稿、修改后，文章就被接收了。比较印象深刻的是，一位审稿人说，我怎么还收到了修改稿，这个稿件应该尽快发表。审稿人的这句话也是我们的文章后来能提前在线发表的最大助力。有另外一位审稿人非常细致地对我们的工作进行了评价和指导，我们从中受益良多。收到修改稿后，这位审稿人特意强调，这篇文章对于各个领域都有潜在重要影响，不宜发表在某一专业杂志上，就应该发表在《Nature》这种涵盖多个学科领域的杂志。整个审稿过程中，这些审稿人的关注角度让我们知道，他们曾经参与立方冰的争议，而且基于运用的不同实验、理论研究手段，提出过不同的理解和模型。他们坦诚而严谨地对待我们的研究结果，而且给出了非常好的指导和建议，让我读着评审意见邮件时感受到了科学大家的风范和气度，非常值得我们年轻人敬仰和学习。

可否对您目前的研究领域做一个展望，有哪些重点和难点科学问题仍值得进一步探索？

冰几乎有着最复杂的结构相图，而且即使是地球环境的冰研究也存在大片无人区。深入认识和理解冰的微观世界是一份前途漫漫的研究领域。例如：地球环境中水的过冷态以及冰的形核微观机制至今依然难以全面理解。对于这些关乎多个学科领域的水科学研究还仍然处于低速发展阶段，有待于未来更多、更进一步的全面探索。

对于刚开始从事科学研究的女性科技工作者有哪些建议可以分享？

高效利用时间，坚定内心，勇往直前，加油。

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