從日常生活中的冰塊、冰水，到自然環(huán)境中的冰雪、冰川……冰是很常見的。在一般認(rèn)知中，它從一個(gè)微小的晶核開始，按部就班長(zhǎng)成規(guī)則的三維晶體。然而，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)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(tuán)隊(duì)，在微觀世界捕捉到了顛覆常識(shí)的一幕：水分子牽引整個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)同演化，像蜘蛛編織網(wǎng)一樣逐步展開。研究團(tuán)隊(duì)首次在原子尺度揭示了冰在二維下獨(dú)特的“織網(wǎng)式”結(jié)晶過程。該成果日前發(fā)表於國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。

田野介紹，研究團(tuán)隊(duì)將水分子“撒”在石墨表面，在極低溫條件下凍結(jié)成無序二維冰。隨后通過緩慢升溫“退火”，讓二維冰逐步結(jié)晶。在團(tuán)隊(duì)自行研制的國產(chǎn)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(jié)構(gòu)到島狀晶域的原子級(jí)演化過程：起初呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)枝杈狀結(jié)構(gòu)，隨著溫度升高逐漸增寬、延展，最終拼接成片狀“小島”。

最令團(tuán)隊(duì)驚訝的是，這場(chǎng)結(jié)晶盛宴中始終缺席的“主角”——傳統(tǒng)成核理論中不可或缺的“臨界晶核”，在這裡竟消失得無影無蹤。真正的“引導(dǎo)者”是表面吸附的水分子，它們?nèi)缤翱椌W(wǎng)”一般，牽引整個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)同演化。

徐莉梅說：“這種‘蜘蛛織網(wǎng)’式的結(jié)晶機(jī)制表明，無序二維冰的結(jié)晶不僅僅是平面分子的簡(jiǎn)單重排，還受到三維分子的協(xié)同作用驅(qū)動(dòng)。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬並結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)型解析，我們不僅重現(xiàn)了無序冰的有序化過程，更揭示了二維晶化中三維分子協(xié)同演化的微觀機(jī)制。這一研究成果，打破了長(zhǎng)期以來關(guān)於冰及其他材料‘先成核后晶化生長(zhǎng)’的規(guī)律，為低維體系的無序向有序演化提供了全新的微觀動(dòng)態(tài)圖像?！?/p>

“這一研究表明，在低維與限域條件下，水的結(jié)冰和相變行為遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)認(rèn)知，這對(duì)於防結(jié)冰、低溫凍存、氣候變化乃至地外生命探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義，有望催生變革性技術(shù)。此外，這一發(fā)現(xiàn)的意義並不局限於此，它還刷新了人們對(duì)低維材料（如石墨烯、氮化硼等）結(jié)晶規(guī)律的理解，為低維材料的可控生長(zhǎng)、原子級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及功能材料開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)?！苯f說。（記者晉浩天）

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