王恩哥Nature：首次在实验上证实二维冰的存在并揭示其生长机制

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中国科学院院士、中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员王恩哥与北京大学物理学院量子材料中心江颖、徐莉梅以及美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成合作，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，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。相关成果于2020年1月2日发表在《自然》（Nature）上。
　　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，迄今人们已经发现了冰的18种晶相（三维冰相），其中自然界最常见的冰相为六角结构的Ice Ih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。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。2015年，石墨烯发现者Andre Geim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（Nature 519, 443 (2015)），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（Nature 528, E1–E2 (2015)），二维冰存在与否一直悬而未决。

二维冰

　　在本工作中，研究人员通过精确控制温度和水压，成功在疏水的金衬底（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。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（non-invasive AFM），借助高阶静电力，实现了二维冰的亚分子级分辨成像，并结合理论计算确定了其原子结构。结果表明，这种二维冰由两层六角冰无旋转堆垛而成，两层之间靠氢键连接，每个水分子与面内水分子形成三个氢键，与面外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，与衬底相互作用很弱，是一种本征的二维冰结构。1997年，Koga和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（PRL 79, 5262 (1997)，昵称：Nebraska Ice，美国Nebraska州的印第安语意：广阔浅平的河水），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，研究人员利用前面发展的非侵扰原子力成像技术对二维冰岛的边界进行高分辨成像，成功确定了二维冰的边界是由未重构的锯齿状（zigzag，图3a所示）边界和重构的扶椅状（armchair，图3b所示）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”（bridging）式生长和扶椅状边界的“播种”（seeding）式生长机制。此外，根据理论计算和模拟的结果，研究者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。


       王恩哥，1957年1月出生于沈阳，籍贯上海，物理学家，中国科学院院士、第三世界科学院院士，北京大学物理学院教授 ，中国科学院物理研究所研究员、学术委员会主任，中国科学院大学Kavli理论科学研究所荣誉所长。1978年王恩哥进入辽宁大学物理系就读，先后获得学士、硕士学位。1985年硕士毕业后留校任教。1987年进入北京大学物理系攻读博士。1990年博士毕业后进入中国科学院物理研究所进行博士后研究。1991年至1995年在法国里尔表面与界面实验室和美国休斯顿大学担任博士后、副研究员。1994年入选首批中国科学院百人计划并进入中国科学院物理研究所工作。1995年获得国家杰出青年基金资助。1996年入选国家百千万人才计划。1999年至2007年任中国科学院物理研究所所长。2004年至2009年任北京凝聚态物理国家实验室主任。2007年当选为中国科学院院士。2008年当选为第三世界科学院院士。2009年至2011年任北京大学研究生院院长、物理学院院长。2011年至2012年任北京大学党委常委、副校长、教务长。2012年至2013年任北京大学党委常委、常务副校长、教务长。2013年至2015年任北京大学党委常委、校长。2015年至2017年任中国科学院副院长、党组成员。2018年9月当选为美国物理学会国际董事 。王恩哥主要从事凝聚态物理研究，在纳米新材料探索及其物性、原子尺度上的表面生长动力学以及受限条件下水的复杂形态等方面做出了有重要影响的工作 。
       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、AdvancedQuantum 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。