金凤
生物抗冻蛋白怎么抗结冰，冰川之间的相对滑移、大气臭氧的降解催化，都与冰的结构和成核成长密切相关。
通过近百年的探究，人们现已发现了冰的18种三维晶体结构，其间天然界最常见的便是六角形的冰相。但是，是否有安稳存在的二维冰，学术界一向有很大争议。
近来，北京大学、美国内布拉斯加大学林肯分校以及中国科学院的研讨团队，使用高分辩qPlus型原子力显微镜技能，初次在试验上证明了二维冰的存在，并以原子级分辩率拍到了二维冰的构成进程，提醒其特别的成长机制。北京时间1月2日，该成果在世界尖端学术期刊《天然》宣布。
二维冰由两层六角冰堆叠而成，两层之间靠氢键衔接
早在20世纪20年代，英国闻名物理学家、X射线发现者布拉格与其它几位科学家便别离使用X射线“描绘”冰晶体结构，拉开了三维冰结构研讨的前奏。2015年，石墨烯发现者安德鲁·盖姆带领的团队在双层石墨烯间发现了一种四方二维冰相，颤动学术界，但这种二维冰随后被质疑是氯化钠的晶体结构，二维冰存在与否一向成谜。
（a）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）本研讨发现的二维冰（试验成果的3D效果图）。受访者供图
在此次研讨中，科研人员准确操控温度和水压，在疏水的金衬底上，成长出一种单晶二维冰结构。他们将非侵扰式原子力显微镜成像技能运用于二维冰的亚分子级分辩成像，再结合理论核算确认了其原子结构。
“成果表明，二维冰由两层六角冰无旋转堆叠而成，两层之间靠氢键衔接，每个水分子与同一层的水分子构成三个氢键，与上基层的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，是一种能够独立存在的‘自饱满’二维冰。”北京大学量子资料中心教授江颖说。
此次研讨发现的二维冰，不再是传统的四面体结构，而是六边形的二维平面结构，外表十分平坦。1997年，美国科学家古贺、曾晓成等人使用分子动力学模仿初次猜测了这种“互锁型”双层二维冰，但一向短少切当的试验依据。因而，此次研讨也是第一种被试验所证明的二维冰结构，研讨人员将它正式命名为“二维冰I相”。
怎样才能看到二维冰的构成？研讨人员奇妙地将二维冰从-153摄氏度到“速冻”到-268摄氏度，把冰成长进程中的一系列中间状态冻住下来，并对其进行了安稳的成像，终究看清了二维冰在原子标准的动态成长进程。
一起，他们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。并且，二维冰鸿沟亚稳态的相对安稳性，与衬底的详细结构简直无关。
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。 受访者供图
关于研制防结冰、光滑资料含义严重
长久以来，冰是怎么成核、成长的，大都限制在微观标准的研讨，短少微观标准上的图画。该研讨初次完成了二维冰成核成长的原子标准表征，有助于人们了解冰在低维和受限条件下的形状和成长进程。
二维冰的发现不只应战了一百多年来人们对冰相的传统知道，并且使用远景宽广。“例如，咱们最近发现二维冰关于三维冰的成长具有重要影响。如果有二维冰的存在，三维冰会贴着外表成长，十分安定。但假设没有二维冰，构成的三维冰与外表接触面很小，很简单被风吹走。所以咱们我们能够依据二维冰的结构更有清晰的目的性的规划和研制防结冰资料。”江颖以为，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，能够更好的起到超光滑的效果。使用二维冰，能够减小资料之间的冲突。
二维冰岛的锯齿状（a）鸿沟和扶椅状（b）鸿沟对应的“搭桥”式和“耕种”式成长形式。受访者供图
一起，二维冰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。
“该研讨打开了二维冰宗族系列研讨的大门，一起，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。”南京航空航天大学郭万林院士点评，该研讨改变了人们对二维冰成核和成长的传统知道，关于资料科学、冲突学、生物学、大气科学以及行星科学等范畴的研讨有重要含义。
中国科学技能大学杨金龙院士以为，该研讨打破试验应战，捕获了二维冰成长进程中的鸿沟原子结构，结合理论核算模仿，提醒了二维冰的成长机制，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。
来历：科技日报 文中视频及图片均由受访者供给
修改：李俊霞
审阅：王小龙
