生物抗冻蛋白如何抵御结冰、冰川之间的相对滑动以及大气臭氧的降解和催化都与冰的结构和成核生长密切相关。
经过近百年的探索，人们已经发现了18种冰的三维晶体结构，其中六方冰相是自然界中最常见的。然而，二维冰是否稳定存在一直是学术界争论的焦点。
最近，北京大学、内布拉斯加大学林肯分校和中国科学院的研究团队，利用高分辨率的量子力学原子力显微镜技术，首次在实验中证实了二维冰的存在，并用原子分辨率拍摄了二维冰的形成过程，揭示了其特殊的生长机制。北京时间1月2日，研究结果发表在顶级国际学术期刊《自然》上。
二维冰是由两层六边形冰叠加而成，两层通过氢键相连
早在20世纪20年代，英国著名物理学家和X射线发现者布拉格和其他几位科学家就分别用X射线“描绘”了冰的晶体结构，这开启了三维冰结构研究的序幕。2015年，石墨烯发现者安德鲁·盖姆(Andrew Geim)领导的团队在两层石墨烯之间发现了一个四面二维冰相，这在学术界引起了轰动。然而，二维冰随后被质疑为氯化钠的晶体结构，二维冰的存在一直是个谜。
南极洲罗斯海的厚冰层；(Ice Ih的分子模型，这是自然界中最常见的冰相；在这项研究中发现的二维冰(实验结果的三维效果图)。受访者提供了照片。
在这项研究中，研究人员精确控制温度和水压，在疏水的金基底上生长出单晶二维冰结构。他们将非侵入性原子力显微镜成像技术应用于二维冰的亚分子分辨率成像，并结合理论计算来确定其原子结构。
“结果表明，二维冰是由两层不旋转的六边形冰叠加而成的。这两层通过氢键相连。每个水分子与同一层的水分子形成三个氢键，与上层和下层的水分子形成一个氢键。因此，所有的氢键都是饱和的，结构非常稳定。这是一种“自饱和”的二维冰，可以独立存在。”北京大学量子材料中心的教授蒋英说。
这项研究中发现的二维冰不再是传统的四面体结构，而是一种表面非常平坦的六边形二维平面结构。1997年，美国科学家阿桔、曾·程潇等人首次利用分子动力学模拟来预测这种“连锁”双层二维冰，但一直没有明确的实验证据。因此，这项研究也是第一个通过实验证实的二维冰结构，研究人员将其正式命名为“二维冰一期”。
我们如何看待二维冰的形成？研究人员巧妙地将二维冰从-153℃冻结到“速冻”到-268℃，冻结了冰生长过程中的一系列中间状态，并对其进行了稳定的成像，最终在原子尺度上看到了二维冰的动态生长过程。
同时，结合理论计算和模拟，他们提出了二维冰岛锯齿状边界的“搭桥”生长机制和扶手椅型边界的“播种”生长机制。此外，二维冰边界的亚稳态的相对稳定性几乎与基底的特定结构无关。
二维冰岛内部结构的亚分子分辨率成像。在图A和图B中，从左到右依次显示了从高到低不同针尖高度的原子力显微镜实验图和模拟图。C是二维冰结构的模型示意图的平面图和侧视图。受访者提供了照片。
研究和开发防冰润滑材料具有重要意义。
长期以来，冰是如何成核和生长的，大多局限于宏观尺度的研究，缺乏微观尺度的图像。该研究首次实现了二维冰核形成和生长的原子尺度表征，有助于人们了解冰在低温和有限条件下的形态和生长过程。
二维冰的发现不仅挑战了100多年来对冰相的传统认识，而且具有广阔的应用前景。“例如，我们最近发现二维冰对三维冰的生长有重要影响。如果有二维冰，三维冰会在表面生长，非常稳定。然而，如果没有二维冰，所形成的三维冰与表面的接触表面很小，很容易被风吹走。因此，我们可以根据二维冰的结构来设计和开发防冰材料。”蒋英认为二维冰中水分子的所有氢键都是饱和的，因此与表面的相互作用很小，可以起到超级润滑的作用。使用二维冰可以减少材料之间的摩擦。
二维冰岛的锯齿形(A)和扶手椅形(B)边界对应于“桥接”和“播种”的增长模式。受访者提供了照片。
同时，二维冰可以作为一种特殊的二维材料，为高温超导、深紫外探测、冷冻电子显微镜成像等研究提供了一个全新的平台。
“这项研究为二维冰族的一系列研究打开了大门。同时，就成核和生长动力学而言，这种二维冰的生长机制类似于之前公开的蜂窝状二维材料(如石墨烯和氮化硼)的生长机制。”南京航空航天大学郭院士认为，该研究改变了人们对二维冰的成核和生长的传统认识，对材料科学、摩擦学、生物学、大气科学和行星科学等领域的研究具有重要意义。
中国科技大学杨金龙院士认为，这项研究突破了实验的挑战，捕捉到了二维冰生长过程中的边界原子结构。结合理论计算和模拟，揭示了二维冰的生长机理，为人们了解受限空间冰的生长和形态提供了新的视角，具有重要的科学意义。