冰在二维下结晶过程被揭示

    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科研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。

    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。

    研究人员介绍，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，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，这一发现也为低维材料（如石墨烯、氮化硼等）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。

    （《光明日报》10.23 晋浩天）