虽说近百年来，科学家已发现18种不同构型的冰相，但根据前文我们还未知道那天看到的雪花的晶体成型机制，我们对水的结晶过程所知其实还十分有限。

在新一期《自然》上，包括中国科学家在内的联合团队，首次验证了特殊冰晶类型——二维冰的存在性和晶体生长机制。科学家根据计算机模拟的结果设计出实验，以原子级分辨率拍到了单层冰晶体的形成过程，揭示了其特殊的生长机制。有一天我们可能会利用其中的知识，使除冰过程更加轻松，研发出更加廉价的材料。

宾夕法尼亚大学的大气化学家、论文作者oseph S. Francisco说：“令我兴奋的是，它挑战了关于冰晶生长的传统观点。”

团队的博士后研究员Chongqin Zhu补充说：“搞清晶体的结构非常重要。单层水分子结构在自然界无处不在，在包括材料科学、化学、生物学和大气科学在内的广泛领域中发挥着至关重要的作用。同时具有实际的应用价值。如，对于风力涡轮机之类的东西，除冰是至关重要的维护手段；当风力涡轮机被冻结时，便无法运转。”

近年来，Francisco的实验室投入了大量精力，特别是水在固体表面界面处的晶体生长行为上。在此背景下，他们揭示出的冰的生长机制和结构，有助于我们理解冰在更复杂条件下的行为方式，如与大气中的其他化学物质和水蒸气相互作用时。

Francisco解释说：“我们对气相转变过程中的冰化学机制很感兴趣，因为这与我们大气中发生的反应有关。”

为了弄清冰生长的基本原理，研究人员尝试制造出二维冰：仅有数个分子厚的冰。

在先前的研究中，Francisco，Zhu和同事使用数值方法和模拟表明，冰的生长取决于表面结构以及表面能的活性。

在目前的工作中，他们联络了北京大学的实验室，询问他们是否有可用高分辨率成像技术。

北京团队采用了超强大的qPlus型原子力显微镜——显微镜使用机械探针“感受”材料分子间的应力，并将反馈转换为纳米级分辨率的图像。原子力显微镜能够以对材料结构破坏程度最小的方式获取信息，从而使科学家们甚至能够辨识冰形成过程中出现的不稳定的中间结构。

实际上，地球上所有自然存在的冰因其六面结构而被称为六角形冰。这就是为什么雪花都具有六重对称性的原因。但是，当冰晶体被限制在平面生长时，研究人员发现了与众不同的生长方式。

尽管以前认为之字形的生长模式只有六个分子的水分子环，但朱的计算和原子力显微镜都显示出存在一个五元环的中间阶段。研究人员说，这一发现可能有助于解释他们在2017年报告的实验结果。

根据北京大学的新闻稿，他们将不同凝结阶段中的冰从-153摄氏度急速冷冻到-268摄氏度，强行把中间的生长过程凝滞，然后获取稳定成像，记录下二维冰独特的齿状边界搭桥式生长的机制。

因为二维冰中，氢键达到饱和，是一种超润滑材料。除了各种可能应用之外，用到的技术还适用于二维冰以外的大量二维材料，从而开辟了低维物质的结构和动力学可视化的新途径。

本文译自 phys，由 majer 编辑发布。

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