在寒冷的日子裡，空氣中的水蒸氣可以直接轉化為固體冰，在窗玻璃或汽車擋風玻璃等表面沉積一層薄薄的冰。這個過程雖然司空見慣，但幾十年來一直讓物理學家和化學家忙於弄清楚細節。在《自然》期刊上發表的一篇新研究論文中，一個國際科學家團隊描述了有史以來首次可視化二維冰形成時的原子結構。這些發現是由計算機模擬推動的，激發了實驗工作，從這些發現中獲得的洞察。
有朝一日可能會為材料的設計提供信息，使除冰過程變得更簡單、成本更低。研究作者，賓夕法尼亞大學大氣化學家約瑟夫·S·弗朗西斯科(Joseph S.Francisco)說：我發現非常令人興奮的一件事是，這挑戰了關於冰是如何生長的傳統觀點，了解這種結構非常重要低維空間的水在自然界中無處不在，在包括材料科學、化學、生物學和大氣科學在內的令人難以置信的廣泛科學領域中發揮著關鍵作用。
這也有實際意義，例如對於風力渦輪機這樣的東西來說，除冰是至關重要的，因為風力渦輪機在被冰覆蓋時無法發揮作用。如果了解了水和表面之間的相互作用，那麼我們就可能開發新的材料，使除冰變得更容易。近年來，弗朗西斯科實驗室投入了相當多的精力來研究水，特別是冰在固體表面介面上的行為。在這一背景下了解到關於冰的生長機制和結構的知識，有助於理解冰在更複雜的情況下是如何表現的。
比如當與大氣中其他化學物質和水蒸氣相互作用時。研究人員對氣相轉變過程中冰的化學很感興趣，因為這與大氣中正在發生的反應有關。為了了解冰生長的基本原理，研究人員通過研究二維結構進入了這一研究領域：只有幾個水分子厚的冰層。在之前的二維冰研究中，研究使用計算方法和模擬表明，冰的生長方式取決於表面是排斥還是吸引水，以及該表面的結構。在目前研究中，尋求對模擬進行真實世界的驗證，並聯繫了北京大學的一個團隊：
看看他們是否可以獲得二維冰的圖像，北京大學的研究小組使用了超強原子力顯微鏡，它使用機械探針來「感覺」正在研究的材料，將反饋轉化為納米級的解析度圖像。原子力顯微鏡能夠在對材料本身破壞最小的情況下捕捉結構信息，使科學家能夠識別在冰形成過程中出現的甚至不穩定的中間結構。地球上幾乎所有自然形成的冰，都因其六邊形的結構而被稱為六邊形冰，這就是為什麼雪花都有六重對稱性的原因。
六邊形冰的一個平面與二維冰結構相似，可以終止於兩種類型的邊緣：「之字形」或「扶手椅」。通常，這個天然冰平面的末端是一個鋸齒形的邊緣。然而，當冰在兩個維度上生長時，研究人員發現增長模式不同。目前研究首次表明「扶手椅」邊緣可以穩定，並且它們的生長遵循一種新的反應途徑，這是一種與已知完全不同的機制。儘管之前認為之字形生長模式只有六元環的水分子，但計算和原子力顯微鏡都揭示了一個中間階段，其中存在五元環。
這一結果可能有助於解釋在PNAS論文中報告的實驗觀察結果，該研究發現，冰在一個表面上可以以兩種不同的方式生長，這取決於該表面的屬性。除了為未來有利於除冰的材料設計提供洞察外，研究中使用的技術還適用於探索二維冰以外的一大類二維材料生長，從而為可視化低維物質的結構和動力學開闢了一條新途徑。二維作品是鋪設背景的基礎，通過實驗驗證這些計算是非常好的，因為這讓我們可以回到計算中，向三維邁出大膽的下一步。
博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞大學
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1853-4
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