Nature | 中国科学家取得突破，确认立方冰！

冰在地球上无处不在，在云物理、气候变化和低温保存等多个领域发挥着重要作用。冰的作用是由它的形成行为和相关结构决定的。然而，这些还没有被完全理解。特别是，关于水是否可以冻结形成立方冰的争论由来已久。

2023年3月29日，中国科学院物理研究所白雪冬、王立芬、北京大学陈基及王恩哥共同通讯在Nature 在线发表题为“Tracking cubic ice at molecular resolution”的研究论文，该研究从以分子分辨率出发，对立方冰进行了深入的研究。该研究以直观的实空间实验证据展示了低温气相沉积过程中单晶立方冰的形成过程，澄清了关于单晶纯相立方冰能否形成的争议。

立方冰(冰Ic)具有菱形立方结构，具有重复的面心立方阵列的四面体协调的水分子。Scheiner’s halo表明自然界中存在冰Ic。广泛的实验室研究工作旨在利用复杂的方法制备冰Ic，包括冻结水滴、加热玻璃化水、将水限制在介孔介质、热处理纯冰的高压相和破坏天然气水合物。但这些实验并不能令人信服地证明纯状态下的立方相，现在被广泛接受为显示堆叠无序冰(ice Isd)。最近，在实验室中合成了纯冰Ic晶体，方法是在真空下将冰XVII加热到160 K 或在100 K下使C2氢水合物脱气。随着越来越多的证据，纯冰Ic的存在和亚稳态可能会挑战目前对冰Isd的解释，即假设亚稳态冰Ic和稳定的六方冰(冰Ih)可以共存。

冰的结构表征通常基于提供空间平均信息的衍射方法。扫描探针显微镜已经能够对超薄冰进行原子水平的结构表征，但仅限于最上面的一层或两层。虽然电子显微镜也能够进行原子分辨率的结构成像，但它在冰上的应用是具有挑战性的，因为很难制备在低压成像条件下稳定的样品，同时暴露在电子束下。此外，一些支撑底物会干扰冰中氧柱的成像。这些挑战解释了透射电子显微镜(TEM)在研究冰时的有限使用，由于样品在电子束照射下降解，仅报道了大块单晶Ih的瞬态成像。

冰晶Ic缺陷（图源自Nature ）

该研究展示了立方冰在低温界面的优先形核，导致在102 K时水蒸气沉积产生立方冰和六方冰两种类型的独立结晶。此外，该研究发现了一系列立方冰缺陷，包括两种类型的堆积无序，揭示了分子动力学模拟支持的结构演化动力学。该研究表明，在分子水平上实现对冰的形成及其动态行为的直接、真实空间成像，为在分子水平上使用透射电子显微镜进行冰的研究提供了机会，这可能会扩展到其他氢键晶体。

中科院物理所王立芬副研究员为文章共同第一作者和通讯作者，中科院物理所博士生黄旭丹和北京大学博士生刘科阳同为文章第一作者，北京大学陈基研究员、王恩哥院士和中科院物理所白雪冬研究员为共同通讯作者。文章合作者还有北京大学物理学院江颖教授、材料学院刘磊研究员以及中科院物理所许智副主任工程师、田学增特聘研究员和王文龙研究员等。该工作得到了国家基金委、中科院、科技部、北京自然科学基金委和中科院青促会的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05864-5

转自：“iNature”微信公众号

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