二維冰存在及生長機制首獲證實,為高溫超導電性研究提供平臺

金鳳/科技日報

2020-01-03 08:07

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近百年來,人類發現了冰的18種三維結構,其中最常見的就是六角形的冰相,例如飄落的雪花、解暑的冰塊、南極的厚冰層。但自然界是否有穩定存在的二維冰,一直缺乏確切的實驗證據。北京大學、美國內布拉斯加大學林肯分校以及中國科學院的研究團隊,利用高分辨qPlus型原子力顯微鏡技術,首次在實驗上證實了二維冰的存在,并以原子級分辨率拍到了二維冰的形成過程,揭示了其特殊的生長機制。該成果1月2日發表于國際頂級學術期刊《自然》。
在此次研究中,科研人員精確控制溫度和水壓,在疏水的金襯底上,首次生長出這種單晶二維冰結構。他們將非侵擾式原子力顯微鏡成像技術運用于二維冰的亞分子級分辨成像,再結合理論計算確定了其原子結構。
(a)南極羅斯海上的厚冰層;(b)自然界最常見冰相(Ice Ih)的分子模型;(c)本研究發現的二維冰(實驗結果的3D效果圖)。受訪者供圖
“結果表明,二維冰由兩層六角冰無旋轉堆疊而成,兩層之間靠氫鍵連接,每個水分子與同一層的水分子形成三個氫鍵,與上下層的水分子形成一個氫鍵,因此所有的氫鍵都被飽和,結構非常穩定,是一種可以獨立存在的‘自飽和’二維冰。”文章通訊作者之一、北京大學量子材料科學中心教授江穎說,這也是第一種被實驗證實的二維冰結構,研究人員將它命名為“二維冰I相”。
怎樣才能看到二維冰的形成?研究人員將二維冰從零下153攝氏度“速凍”到零下268攝氏度,把冰生長過程中的一系列中間狀態凍結下來,并對其進行穩定的成像,提出了二維冰島鋸齒狀邊界的“搭橋”式生長和扶椅狀邊界的“播種”式生長機制。
二維冰的發現不僅挑戰了100多年來人們對冰相的傳統認識,而且應用前景廣闊。“如果有二維冰存在,三維冰會貼著表面生長,非常穩固。但如果沒有二維冰,形成的三維冰與表面接觸面很小,很容易被風吹走。我們可以根據二維冰的結構更有針對性地設計和研發防結冰材料。”江穎認為,利用二維冰,可以減小材料之間的摩擦。此外,二維冰可以作為一種特殊的二維材料,為高溫超導電性、深紫外探測、冷凍電鏡成像等研究提供全新平臺。
(原標題:二維冰存在及生長機制首獲證實)
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責任編輯:王心馨
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