冰在二維下“織網式”結晶過程被揭示

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本報北京10月22日電（記者晉浩天） 從日常生活中的冰塊、冰水，到自然環境中的冰雪、冰川……冰是很常見的。在一般認知中，它從一個微小的晶核開始，按部就班長成規則的三維晶體。然而，北京大學物理學院量子材料科學中心教授徐莉梅、教授江穎、特聘研究員田野及王恩哥院士團隊，在微觀世界捕捉到了顛覆常識的一幕：水分子牽引整個結構協同演化，像蜘蛛編織網一樣逐步展開。研究團隊首次在原子尺度揭示了冰在二維下獨特的“織網式”結晶過程。該成果日前發表於國際學術期刊《自然·通訊》。

田野介紹，研究團隊將水分子“撒”在石墨表面，在極低温條件下凍結成無序二維冰。隨後通過緩慢升温“退火”，讓二維冰逐步結晶。在團隊自行研製的國產高分辨率掃描探針顯微鏡下，科研人員首次“看見”冰從枝狀分型結構到島狀晶域的原子級演化過程：起初呈現細長枝杈狀結構，隨着温度升高逐漸增寬、延展，最終拼接成片狀“小島”。

最令團隊驚訝的是，這場結晶盛宴中始終缺席的“主角”——傳統成核理論中不可或缺的“臨界晶核”，在這裏竟消失得無影無蹤。真正的“引導者”是表面吸附的水分子，它們如同“織網”一般，牽引整個結構協同演化。

徐莉梅説：“這種‘蜘蛛織網’式的結晶機制表明，無序二維冰的結晶不僅僅是平面分子的簡單重排，還受到三維分子的協同作用驅動。通過分子動力學模擬並結合機器學習構型解析，我們不僅重現了無序冰的有序化過程，更揭示了二維晶化中三維分子協同演化的微觀機制。這一研究成果，打破了長期以來關於冰及其他材料‘先成核後晶化生長’的規律，為低維體系的無序向有序演化提供了全新的微觀動態圖像。”

“這一研究表明，在低維與限域條件下，水的結冰和相變行為遠遠超出了傳統認知，這對於防結冰、低温凍存、氣候變化乃至地外生命探測等領域具有重要的科學意義，有望催生變革性技術。此外，這一發現的意義並不侷限於此，它還刷新了人們對低維材料（如石墨烯、氮化硼等）結晶規律的理解，為低維材料的可控生長、原子級結構設計以及功能材料開發提供了理論基礎。”江穎説。