首次可视化冰形成时的原子结构，空气中的水能直接转化为固体冰！

天文物理

在寒冷的日子里，空气中的水蒸气可以直接转化为固体冰，在窗玻璃或汽车挡风玻璃等表面沉积一层薄薄的冰。这个过程虽然司空见惯，但几十年来一直让物理学家和化学家忙于弄清楚细节。在《自然》期刊上发表的一篇新研究论文中，一个国际科学家团队描述了有史以来首次可视化二维冰形成时的原子结构。这些发现是由计算机模拟推动的，激发了实验工作，从这些发现中获得的洞察。

有朝一日可能会为材料的设计提供信息，使除冰过程变得更简单、成本更低。研究作者，宾夕法尼亚大学大气化学家约瑟夫·S·弗朗西斯科(Joseph S.Francisco)说：我发现非常令人兴奋的一件事是，这挑战了关于冰是如何生长的传统观点，了解这种结构非常重要低维空间的水在自然界中无处不在

在包括材料科学、化学、生物学和大气科学在内的令人难以置信的广泛科学领域中发挥着关键作用。这也有实际意义，例如对于风力涡轮机这样的东西来说，除冰是至关重要的，因为风力涡轮机在被冰覆盖时无法发挥作用。如果了解了水和表面之间的相互作用，那么我们就可能开发新的材料，使除冰变得更容易。

近年来，弗朗西斯科实验室投入了相当多的精力来研究水，特别是冰在固体表面界面上的行为。在这一背景下了解到关于冰的生长机制和结构的知识，有助于理解冰在更复杂的情况下是如何表现的。比如当与大气中其他化学物质和水蒸气相互作用时。研究人员对气相转变过程中冰的化学很感兴趣，因为这与大气中正在发生的反应有关。为了了解冰生长的基本原理，研究人员通过研究二维结构进入了这一研究领域：

只有几个水分子厚的冰层。在之前的二维冰研究中，研究使用计算方法和模拟表明，冰的生长方式取决于表面是排斥还是吸引水，以及该表面的结构。在目前研究中，寻求对模拟进行真实世界的验证，并联系了北京大学的一个团队：看看他们是否可以获得二维冰的图像，北京大学的研究小组使用了超强原子力显微镜，它使用机械探针来“感觉”正在研究的材料，将反馈转化为纳米级的分辨率图像。

原子力显微镜能够在对材料本身破坏最小的情况下捕捉结构信息，使科学家能够识别在冰形成过程中出现的甚至不稳定的中间结构。地球上几乎所有自然形成的冰，都因其六边形的结构而被称为六边形冰，这就是为什么雪花都有六重对称性的原因。六边形冰的一个平面与二维冰结构相似，可以终止于两种类型的边缘：“之字形”或“扶手椅”。

通常，这个天然冰平面的末端是一个锯齿形的边缘。然而，当冰在两个维度上生长时，研究人员发现增长模式不同。目前研究首次表明“扶手椅”边缘可以稳定，并且它们的生长遵循一种新的反应途径，这是一种与已知完全不同的机制。尽管之前认为之字形生长模式只有六元环的水分子，但计算和原子力显微镜都揭示了一个中间阶段，其中存在五元环。

这一结果可能有助于解释在PNAS论文中报告的实验观察结果，该研究发现，冰在一个表面上可以以两种不同的方式生长，这取决于该表面的属性。除了为未来有利于除冰的材料设计提供洞察外，研究中使用的技术还适用于探索二维冰以外的一大类二维材料生长，从而为可视化低维物质的结构和动力学开辟了一条新途径。二维作品是铺设背景的基础，通过实验验证这些计算是非常好的，因为这让我们可以回到计算中，向三维迈出大胆的下一步。

博科园｜研究/来自：宾夕法尼亚大学

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1853-4

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