我們熟知的冰，還有新結構？_風聞

近日，中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）等創新發展了低能電子輔助合成方法，在疏水性金屬——銀的表面，首次生長了一種穩定的單層水-羥基（H2O-OH）結構。這一新形式六角二維冰結構的發現，改變了一百多年來人們的傳統認識，進一步拓展了二維冰家族。

01

開啓新認知的二維冰結構

自然界中水分子傾向於形成三維冰顆粒，而非穩定的二維結構。但冰與外界的相互作用都是通過表面接觸來實現的，因此，研究二維尺度上的冰結構具有重要意義。

▲六角結構冰

金、銀、銅等疏水性金屬的表面結構相對簡單，其較弱的相互作用使得水往往以分子團簇或者無定形的三維多層結構存在。此前，已有研究通過精確控制生長條件，在疏水的金表面[Au(111)]製備出了單晶的二維冰結構。但傳統的低温吸附生長，無法在銀襯底[Ag(111)]表面獲得大面積單層有序結構。

物理所的科研人員與合作者改變思路，利用低能電子輔助合成方法，用電子束照射已經吸附在銀表面的無定形水，使部分水分子發生解離脱氫，產生羥基（OH），與水分子形成了和銀表面相互作用更強的二維H2O-OH結構，並實現了不同層數材料的可控生長。

▲Ag(111)上H2O-OH單層的合成與表徵

實驗證明，在超高真空條件下，這種結構在高於0℃（實際在280K約7℃）的温度時，也能維持在銀表面。

該研究為以二維冰為代表的氫氧化物二維材料的生長提供了另一種可能。

02

新二維結構帶來新特點

研究團隊利用掃描隧道顯微鏡觀察並描繪了H2O-OH的形貌，利用X射線光電子能譜確認了H2O-OH的化學組成，結合理論計算確認了二維H2O-OH的原子結構。

▲多層H2O-OH及其鐵電極化特徵

以往的實驗結果表明，當各種金屬表面温度高於零下123℃（150K）時，僅靠水分子單一組分構成的各種二維冰結構，就會受熱並從表面脱附。

而在羥基化二維冰結構裏，電子束誘導的羥基的生成，加強了該結構與金屬的相互作用，提升了氫氧化物二維材料的解吸温度。

不僅如此，理論計算還發現通過調控多層H2O-OH層間結構，可以實現磁性的可逆切換：一方面，層間堆疊促進H2O2分子的形成，使未配對電子配對，從而誘導鐵磁性向非磁性轉變；另一方面，層間滑移抑制H2O2分子形成，恢復未配對電子，從而實現非磁性向鐵磁性轉變。這一磁相變過程可被外加電場有效調控。

近年來，各種新型的調控手段，為人類展現出更多新奇的二維冰或水合離子結構。但人們對水的瞭解宛如“冰山一角”，“表面”之下，還有大量未知等待被發現。

**來源：**中國科學院物理研究所