最新成果|北京大学江颖教授团队及其合作者：二维冰有序化的原子级机制
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心徐莉梅教授、江颖教授、田野研究员及王恩哥院士团队，在原子尺度上揭示了二维冰从无序到有序的独特“织网式”结晶过程。相关成果发表在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
图1 ：Nature Communications官网截图
研究团队以石墨表面为实验平台，将水分子在极低温下沉积，形成无序二维冰。随后，通过缓慢升温退火，让二维冰逐步结晶。借助北京大学与中科艾科米共同研发的国产商业化高分辨qPlus型扫描探针显微镜系统，科研人员首次“看见”了冰从枝状到岛状的原子级演化：起初呈现细长枝叉状结构，随着温度升高逐渐增宽、延展，最终拼接成片状小岛。
图2：原子尺度观测二维冰的无临界核结晶过程，随着退火温度升高，黄点标注的六元环晶体结构经历从枝状到岛状的结构演化。a-c. 原子力显微镜成像图; d-f. 分子动力学模拟结果[1]。
令人惊讶的是，这一晶化过程并非像传统成核理论所描述的依赖“临界晶核”生长，而是由表面吸附的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。这表明二维冰的结晶不仅仅是平面分子重排，还受到三维协同作用驱动，呈现出独特的微观机制。
图3：文章截图
江颖教授在接受《光明日报》采访时表示：“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。”[2]
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63664-z
参考文献：
[1] Yuan, ZF., Tian, Y., Tang, B. et al. Atomic-resolution imaging reveals nucleus-free crystallization in two-dimensional amorphous ice on graphite Nat Commun 16, 8628 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-63664-z
[2]冰也会“织网”？我国科学家首次揭示……；光明日报，https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NzM0MzQ4MQ==&mid=2654910863&idx=2&sn=fd2bf3a40c4b30794cfd489c981d8c47&chksm=bc7de04fa7105b88bac376a15524abb4cf2cc324b104472eda7d69c274fbaaddc884d681a97b&scene=27
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