每个人都知道水以三种聚集状态发生。 我们把水壶放在锅上，水开始沸腾并蒸发，从液态变成气态。 我们将其放入冰箱，然后开始变成冰，从而从液态变成固态。 但是，在某些情况下，空气中存在的水蒸气会绕过液相而立即进入固相。 我们对这个过程的结果很熟悉-在一个寒冷的冬季，窗户上的美丽花纹。 驾车者从挡风玻璃上刮下冰层时，通常使用的不是很科学，而是非常动感和生动的贴士来描述这一过程。 多年来，二维冰形成的细节一直是个谜。 最近，一个国际科学家团队首次能够可视化二维冰在形成过程中的原子结构。 在看似简单的物理过程中隐藏了哪些秘密，科学家是如何发现它们的？它们的发现有多有用？ 研究小组的报告将告诉我们这一点。 走吧
学习基础
如果夸大其词，那么实际上我们周围的所有物体都是三维的。 但是，如果您更仔细地考虑其中的一些，则可以满足二维要求。 一个典型的例子是在物体表面形成一层冰壳。 对于科学界来说，这种结构的存在并不是秘密，因为已经对其进行了许多次分析。 但是问题在于，很难可视化涉及二维冰形成过程的亚稳或中间结构。 这是由于常见的问题-所研究结构的易碎性和易碎性。
幸运的是，由于上述原因，现代扫描方法可让您分析对样品影响最小的样品，从而使您可以在短时间内获得最大数据。 在这项研究中，科学家使用了非接触式原子力显微镜，而显微镜针的尖端涂有一氧化碳（CO）。 这些扫描工具的组合使获取在金（Au）表面上生长的二维两层六边形冰的边缘结构的实时图像成为可能。
显微镜显示，在二维冰的形成过程中，两种边缘（连接多边形两个顶点的段）在结构中同时并存：之字形（
臂形 ）和臂形（
扶手椅 ）。
以石墨烯为例的臂状（左）和曲折（右）肋。在此阶段，样品被快速冷冻，这使得详细检查原子的结构成为可能。 还进行了模拟，其结果与观测结果基本一致。
揭示了在形成之字形肋的情况下，将额外的水分子添加到现有的肋中，并且整个过程受桥形成机理的调节。 但是，在形成臂状肋的情况下，未发现其他分子，这与关于两层六角形冰和二维整体六角形物质生长的传统观念形成鲜明对比。
为什么科学家为什么选择非接触式原子力显微镜而不是扫描隧道显微镜（STM）或透射电子显微镜（TEM）进行观察？ 众所周知，选择与研究二维冰的短寿命和易碎结构的复杂性有关。 STM以前曾用于研究在各种表面上生长的2D冰，但是，这种类型的显微镜对原子核的位置不敏感，其针头可能会导致可视化错误。 相反，TEM可以完美显示肋骨的原子结构。 然而，为了获得高质量的图像，需要高能电子，其可以容易地改变甚至破坏共价结合的二维材料的边缘结构，更不用说在二维冰中较弱的结合边缘。
原子力显微镜没有这种缺点，涂有CO的针头允许研究界面水，而对水分子的影响最小。
研究成果
图片编号1二维冰在约120 K的温度下生长在Au（111）的表面上，其厚度为2.5Å（
1a ）。
冰的STM图像（
1c ）和快速傅里叶变换的相应图像（插入
1a ）显示出具有周期性的Au（111）-√3x√3-30°的有序六边形结构。 尽管在STM图像中可以看到2D冰的蜂窝状H链接网络，但是很难确定边缘结构的详细拓扑。 在这种情况下，具有相同样本频率偏差（Δf）的AFM会产生更好的图像（
1d ），这使得可视化该结构的臂形和锯齿形截面成为可能。 两种变体的总长度是可比较的，但前肋的平均长度稍大（
1b ）。 锯齿形的肋骨可以长到60Å，但臂状肋骨在成型过程中被缺陷覆盖，从而将其最大长度减小到10-30Å。
接下来，在不同的针高（
2a ）下进行系统的AFM可视化。
图片编号2在最高针高处，当AFM信号中存在较高阶的静电力时，在二维两层冰中选择了两组√3x√3亚晶格，其中一组显示在
2a中 （左）。
在较低的针高处，该子晶格的亮元素开始显示方向性，而另一个子晶格变成V形元素（位于中心
2a ）。
在最小针高下，AFM呈蜂窝状结构，其清晰的线条连接两个类似H键的子晶格（图
2a ，右）。
使用密度泛函理论的计算表明，在Au（111）表面上生长的二维冰对应于由两个平坦的六边形水层组成的具有粘性的两层冰结构（
2c ）。 两片六边形相连，平面中水分子之间的夹角为120°。
在每一层水中，一半的水分子水平放置（平行于底物），另一半-垂直放置（垂直于底物），其中一个-H向上或向下。 一层中垂直放置的水使另一层中的水平水形成氢键，从而形成完全饱和的H形结构。
基于上述模型，使用四极（dz 2）针（
2b ）进行AFM建模与实验结果（
2a ）十分吻合。 不幸的是，水平和垂直水的高度相似，使得在STM成像过程中很难识别它们。 但是，当使用原子力显微镜时，两种水的分子都可以清晰地区分（右侧的
2a和
2b ），因为更高阶的静电力对水分子的方向非常敏感。
还可以通过高阶静电力和泡利排斥力之间的相互作用来另外确定水平和垂直水的方向性OH，这由
2a和
2b中的红线显示（中间）。
图片编号3图像
3a和
3b （步骤1）分别显示了锯齿形和臂形肋的放大AFM图像。 发现之字形肋随着其原始结构的保存而增长，并且随着臂状肋的增长，该肋在5756个环的周期性结构中被恢复，即。 当肋骨的结构定期重复五边形-七边形-五边形-六边形的顺序时。
使用密度泛函理论进行的计算表明，未重建的锯齿形肋和5756型的扶手椅形肋最稳定。 5756肋条是通过组合效应而形成的，该组合效应可最大程度地减少不饱和氢键的数量并降低应变能。
科学家记得，六角形冰的基面通常以锯齿形肋结束，而扶手椅形肋则由于不饱和氢键的密度较高而缺失。 但是，在小型系统或密闭空间中，臂状肋可以通过适当的重构来减少其能量。
如前所述，当在120 K的温度下停止冰生长时，立即将样品冷却至5 K，以尝试冻结亚稳或过渡肋结构，并为使用STM和AFM进行详细研究提供相对较长的样品寿命。 由于采用了CO功能化的显微镜针，二维冰的生长过程（图3）也得以重建，这使得检测亚稳和过渡结构成为可能。
对于锯齿形的肋骨，有时会发现附着在直边上的单个五边形。 他们可以排成一行，形成一个频率为2 x
冰的阵列（
而冰是二维冰的晶格常数）。 该观察结果可能表明曲折肋骨的生长是通过形成五边形的周期性阵列（
3a ，阶段1-3）而引发的，该阵列包括为五边形添加两个水对（红色箭头）。
接下来，五边形阵列连接以形成56665型结构（
3a ，步骤4），然后恢复原始的锯齿形外观，添加更多的水蒸气。
对于臂状肋，情况恰好相反-没有五边形阵列，而是经常在边缘观察到5656型的短间隙。 5656型肋的长度比5756型短得多。这可能是由于5656型肋非常紧张且不如5756稳定。从5756型臂形肋开始，575环通过加两个而局部转换为656型环水蒸气（
3b ，步骤2）。 接下来，在横向方向上生长656个环，形成5656型的边缘（
3b ，步骤3），但由于应变能的积累，长度有限。
如果将一对水添加到5656型肋的六角形上，则变形可以部分减弱，这又将导致形成5756型肋（
3b ，步骤4）。
以上结果非常具有指导意义，但决定使用从Au（111）表面水蒸气的分子动力学计算获得的其他数据来支持它们。
发现成功在表面自由地形成二维的两层冰岛，这与我们的实验观察是一致的。
图片编号4图
4a分阶段显示了在锯齿形肋上共同形成桥的机制。
以下是本研究的媒体材料，并进行了说明。
值得注意的是，一个连接在锯齿形肋骨上的五边形不能充当促进生长的局部成核中心。
取而代之的是，在锯齿形肋上最初形成了一个周期性的但未连接的五边形网络，随后进入的水分子共同试图连接这些五边形，从而导致形成565型链结构。她的寿命非常短。
添加一对水将565型结构和相邻的五边形连接起来，这导致形成5666型结构。
5666型结构在横向方向上生长，形成56665型结构，最终变成完全连接的六角形晶格。
图
4b示出了在臂状肋的情况下的生长。 从575型环到656型环的转换从底层开始，形成复合结构575/656，在实验中无法区别于5756型肋，因为在实验过程中只能显示两层冰的顶层。
所得的桥656成为5656型肋骨生长的成核中心。
向5656型肋骨添加一个水分子会导致该分子非常易移动的不成对结构。
这些未配对的水分子中的两个随后可以结合成更稳定的七边形结构，从而完成从5656到5756的转化。
要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下
科学家的
报告 。
结语
这项研究的主要结论是，在生长过程中观察到的结构行为对于所有类型的二维冰都可能是共有的。 两层六角形冰在各种疏水性表面上并在疏水性限制条件下形成，因此可以看作是单独的2D晶体（2D冰I），其形成对衬底的基本结构不敏感。
科学家老实说，他们的可视化技术尚不适合于三维冰的研究，但是，研究二维冰的结果可以作为解释其体积相对的形成过程的基础。 换句话说，对二维结构的形成方式的理解是研究三维结构的重要基础。 因此，研究人员计划在将来改进其方法。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。 :)
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