冰在二维下“织网式”结晶过程被揭示

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本报北京10月22日电（记者晋浩天） 从日常生活中的冰块、冰水，到自然环境中的冰雪、冰川……冰是很常见的。在一般认知中，它从一个微小的晶核开始，按部就班长成规则的三维晶体。然而，北京大学物理学院量子材料科学中心教授徐莉梅、教授江颖、特聘研究员田野及王恩哥院士团队，在微观世界捕捉到了颠覆常识的一幕：水分子牵引整个结构协同演化，像蜘蛛编织网一样逐步展开。研究团队首次在原子尺度揭示了冰在二维下独特的“织网式”结晶过程。该成果日前发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

田野介绍，研究团队将水分子“撒”在石墨表面，在极低温条件下冻结成无序二维冰。随后通过缓慢升温“退火”，让二维冰逐步结晶。在团队自行研制的国产高分辨率扫描探针显微镜下，科研人员首次“看见”冰从枝状分型结构到岛状晶域的原子级演化过程：起初呈现细长枝杈状结构，随着温度升高逐渐增宽、延展，最终拼接成片状“小岛”。

最令团队惊讶的是，这场结晶盛宴中始终缺席的“主角”——传统成核理论中不可或缺的“临界晶核”，在这里竟消失得无影无踪。真正的“引导者”是表面吸附的水分子，它们如同“织网”一般，牵引整个结构协同演化。

徐莉梅说：“这种‘蜘蛛织网’式的结晶机制表明，无序二维冰的结晶不仅仅是平面分子的简单重排，还受到三维分子的协同作用驱动。通过分子动力学模拟并结合机器学习构型解析，我们不仅重现了无序冰的有序化过程，更揭示了二维晶化中三维分子协同演化的微观机制。这一研究成果，打破了长期以来关于冰及其他材料‘先成核后晶化生长’的规律，为低维体系的无序向有序演化提供了全新的微观动态图像。”

“这一研究表明，在低维与限域条件下，水的结冰和相变行为远远超出了传统认知，这对于防结冰、低温冻存、气候变化乃至地外生命探测等领域具有重要的科学意义，有望催生变革性技术。此外，这一发现的意义并不局限于此，它还刷新了人们对低维材料（如石墨烯、氮化硼等）结晶规律的理解，为低维材料的可控生长、原子级结构设计以及功能材料开发提供了理论基础。”江颖说。