近期，北京大学学者江颖、徐莉梅、王恩哥等与协作者使用高分辩原子力显微镜，初次在试验上证明了冰在二维极限下可以安稳存在，将其命名为二维冰I相，它的发现改变了100多年来人们对冰相的传统知道，敞开了探求二维冰宗族系列的大门，关于未来规划和研制防结冰资料具有潜在的使用价值。该效果1月2日已在世界尖端学术期刊《天然》上宣布。参加研讨的中国科学院院士王恩哥曾担任北大校长。
冰是水的常见物态，由水分子规矩摆放构成，其结构与成核成长在资料科学、冲突学、生物学、大气科学等许多范畴具有至关重要的效果。迄今为止，人们已发现冰的18种晶相（三维冰相），但是，冰在二维极限下是否能独立安稳存在？这样的一个问题存在很大争议。近些年来，北大物理学院量子资料科学中心教授江颖、徐莉梅与美国内布拉斯加大学林肯分校教授曽晓成以及中国科学院院士、北大物理学院教授王恩哥等协作，探寻谜底。
二维冰岛内部结构的亚分子级分辩成像。a、b图中从左至右，顺次为由高至低不同针尖高度下的原子力显微镜试验图和模仿图；c为二维冰结构的模型示意图的俯视图和侧视图。图画尺度：1.25 nm x 1.25 nm。在大针尖高度条件下，首要使用高阶静电力成像，可以分辩出平躺水分子（暗点）和竖直水分子（亮点）；在中心高度条件下，依托高阶静电力与泡利排斥力的一起效果，可以分辩出图中赤色短线所示的氢键指向信息。图片来源于北大新闻网
研讨人员经过准确操控温度和水压，成功在疏水的金衬底上成长出了一种单晶二维冰结构，这种二维冰可以彻底铺满衬底。他们进一步使用依据一氧化碳针尖润饰的非侵扰式原子力显微镜成像技能，凭借高阶静电力，完成了二维冰的亚分子级分辩成像，并结合理论核算确认了其原子结构。
成果表明，这种二维冰由两层六角冰无旋转堆垛而成，两层之间靠氢键衔接，每个水分子与面内水分子构成三个氢键，与面外水分子构成一个氢键，因而一切的氢键都被饱满，结构十分安稳，与衬底相互效果很弱，是一种本征的二维冰结构。
该研讨初次以试验证明了曽晓成等人20多年前理论猜测的“互锁型”双层二维冰的存在，研讨人员将它正式命名为二维冰I相。
南极罗斯海上的厚冰层；（b）天然界最常见冰相（Ice Ih）的分子模型；（c）本作业发现的二维冰（试验成果的3D效果图）。 图片来源于北大新闻网
为进一步提醒二维冰的构成机制，研讨人员使用前面开展的非侵扰原子力成像技能对二维冰岛的鸿沟进行高分辩成像，成功确认了二维冰的鸿沟是由未重构的锯齿状鸿沟和重构的扶椅状鸿沟构成。他们还经过“速冻”技能，在鸿沟上捕获了冰成长进程中的中心态结构，并依据这些中心态鸿沟结构重现了二维冰的构成进程，结合理论核算和模仿提出了二维冰岛锯齿状鸿沟的“搭桥”式成长和扶椅状鸿沟的“耕种”式成长机制。此外，依据理论核算和模仿的成果，研讨者以为该成长机制具有必定的普适性，适用于其它疏水的衬底。
二维冰的发现改变了100多年来人们对冰相的传统知道，敞开了探求二维冰宗族系列的大门，为冰在低维和受限条件下的形状和成长供给了全新的图画。一起，二维冰在许多使用范畴也有潜在含义，比方，外表上的二维冰可以促进或按捺三维冰的构成，这关于规划和研制防结冰资料具有潜在的使用价值；二维冰中水分子一切的氢键都被饱满，因而与外表的相互效果极小，可以更好的起到超光滑效果，减小资料之间的冲突；此外，二维冰自身也可当作一种特别的二维资料，为高温超导电性、深紫外勘探、冷冻电镜成像等研讨供给全新的渠道。
该研讨得到了《天然》杂志审稿人的高度认可和欣赏。专家以为，该作业初次完成二维冰的鸿沟和成长结构的高分辩成像，将引起冰成核和受限成长范畴研讨者的爱好。
中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林指出，这种二维冰的成长机理与以前所提醒的蜂窝二维资料（如石墨烯、氮化硼）的成长机理在成核和成长动力学方面有必定的相似性，为横跨资料与冰树立更为普适的成长机理供给了重要依据，“这些成果改变了人们对冰成核和成长的传统知道，在资料科学、冲突学、生物学、大气科学以及行星科学等许多范畴有着至关重要的含义。”
中国科学院院士杨金龙以为，该研讨为人们了解受限空间里冰的成长和形状供给了新视角，具有重要的科学含义。
