冰是水的常見形態(tài)，由水分子規(guī)則排列形成，其結(jié)構(gòu)與核化生長特性在材料科學(xué)、大氣科學(xué)、生物科學(xué)、低溫制冷、食品工程、土木工程等眾多領(lǐng)域至關(guān)重要。經(jīng)過近一百年的研究和探索，迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了冰的18種晶相（三維冰相），其中自然界最常見的冰相為六角結(jié)構(gòu)冰。

自20世紀80年代，各種新冰相預(yù)測引起了研究者的普遍關(guān)注。預(yù)測新冰相需要模擬極端條件，即超高壓、高溫、高外電場、強負壓或納米尺度約束。在過去的二十年中，通過實驗室計算證實了大量低維冰相的存在，促進了低維冰相預(yù)測的發(fā)展。

納米尺度約束被視為一個可調(diào)變量，可以影響水分子在凍結(jié)相變過程中氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。2020年，我國科研人員首次證實了冰在二維極限下可以穩(wěn)定存在。盡管二維冰的形成需要納米尺度限制，但在非受限條件下二維雙層冰與三維冰共存的物理機制仍未被充分揭示。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)與凍土工程重點實驗室，聯(lián)合重慶交通大學(xué)未來土木科技研究院、澳大利亞悉尼科技大學(xué)、西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室等多家單位科研人員對二維雙層冰與三維冰共存的現(xiàn)象進行了探索研究。

研究人員探索了通過調(diào)整固－液界面的相互作用控制低維冰與高維冰形成的可能性，確定了一個關(guān)鍵的表面能參數(shù)，當(dāng)該參數(shù)超過臨界值時，二維冰與三維冰可以在表面共存。研究人員通過捕捉亞穩(wěn)態(tài)邊緣結(jié)構(gòu)冰晶的生長與融合過程，揭示了二維冰的生長機制，并預(yù)測了溫度、壓力與能量參數(shù)之間的相圖，以區(qū)分液態(tài)水、二維冰和三維冰。

此外，研究表明，共存冰的除冰特性表明，冰的粘附強度與冰－表面相互作用與溫度的比值呈線性關(guān)系。對于氣－固相轉(zhuǎn)變，預(yù)測了溫度與能量參數(shù)的相圖，以區(qū)分氣相水、液態(tài)水、二維冰和三維冰。

本研究從分子層面揭示了二維冰與三維冰在非受限條件下共存的形成機理和除冰特性，為理解納米尺度下冰晶的獨特結(jié)構(gòu)和動態(tài)演化提供了全新視角，并有望推動未來實現(xiàn)低維冰與高維冰穩(wěn)定共存的實驗研究。

研究成果以　Two－dimensional　bilayer　ice　in　coexistence　with　three－dimensional　ice　without　confinement　為題，于2024年7月9日發(fā)表于國際期刊《自然－通訊》（Nature　Communications）　。西北研究院博士后蔣靜為論文第一作者，西北研究院／重慶交通大學(xué)賴遠明院士為通訊作者，悉尼科技大學(xué)盛岱超院士、西安交通大學(xué)唐桂華教授、西北研究院張明義研究員、大連海事大學(xué)牛東副教授、西北研究院余帆研究員為共同作者。該研究獲國家自然科學(xué)基金項目與中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目共同資助。

論文鏈接：https：／／www．nature．com／articles／s41467－024－50187－2　

二維冰與三維冰共存生長特性