冰是水的常見(jiàn)形態(tài)，由水分子規(guī)則排列形成，其結(jié)構(gòu)與核化生長(zhǎng)特性在材料科學(xué)、大氣科學(xué)、生物科學(xué)、低溫制冷、食品工程、土木工程等眾多領(lǐng)域至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)近一百年的研究和探索，迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了冰的18種晶相（三維冰相），其中自然界最常見(jiàn)的冰相為六角結(jié)構(gòu)冰。

自20世紀(jì)80年代，各種新冰相預(yù)測(cè)引起了研究者的普遍關(guān)注。預(yù)測(cè)新冰相需要模擬極端條件，即超高壓、高溫、高外電場(chǎng)、強(qiáng)負(fù)壓或納米尺度約束。在過(guò)去的二十年中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算證實(shí)了大量低維冰相的存在，促進(jìn)了低維冰相預(yù)測(cè)的發(fā)展。

納米尺度約束被視為一個(gè)可調(diào)變量，可以影響水分子在凍結(jié)相變過(guò)程中氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。2020年，我國(guó)科研人員首次證實(shí)了冰在二維極限下可以穩(wěn)定存在。盡管二維冰的形成需要納米尺度限制，但在非受限條件下二維雙層冰與三維冰共存的物理機(jī)制仍未被充分揭示。

中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)與凍土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合重慶交通大學(xué)未來(lái)土木科技研究院、澳大利亞悉尼科技大學(xué)、西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多家單位科研人員對(duì)二維雙層冰與三維冰共存的現(xiàn)象進(jìn)行了探索研究。

研究人員探索了通過(guò)調(diào)整固－液界面的相互作用控制低維冰與高維冰形成的可能性，確定了一個(gè)關(guān)鍵的表面能參數(shù)，當(dāng)該參數(shù)超過(guò)臨界值時(shí)，二維冰與三維冰可以在表面共存。研究人員通過(guò)捕捉亞穩(wěn)態(tài)邊緣結(jié)構(gòu)冰晶的生長(zhǎng)與融合過(guò)程，揭示了二維冰的生長(zhǎng)機(jī)制，并預(yù)測(cè)了溫度、壓力與能量參數(shù)之間的相圖，以區(qū)分液態(tài)水、二維冰和三維冰。

此外，研究表明，共存冰的除冰特性表明，冰的粘附強(qiáng)度與冰－表面相互作用與溫度的比值呈線性關(guān)系。對(duì)于氣－固相轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)了溫度與能量參數(shù)的相圖，以區(qū)分氣相水、液態(tài)水、二維冰和三維冰。

本研究從分子層面揭示了二維冰與三維冰在非受限條件下共存的形成機(jī)理和除冰特性，為理解納米尺度下冰晶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化提供了全新視角，并有望推動(dòng)未來(lái)實(shí)現(xiàn)低維冰與高維冰穩(wěn)定共存的實(shí)驗(yàn)研究。

研究成果以　Two－dimensional　bilayer　ice　in　coexistence　with　three－dimensional　ice　without　confinement　為題，于2024年7月9日發(fā)表于國(guó)際期刊《自然－通訊》（Nature　Communications）　。西北研究院博士后蔣靜為論文第一作者，西北研究院／重慶交通大學(xué)賴遠(yuǎn)明院士為通訊作者，悉尼科技大學(xué)盛岱超院士、西安交通大學(xué)唐桂華教授、西北研究院張明義研究員、大連海事大學(xué)牛東副教授、西北研究院余帆研究員為共同作者。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目與中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目共同資助。

論文鏈接：https：／／www．nature．com／articles／s41467－024－50187－2　

二維冰與三維冰共存生長(zhǎng)特性