在疏水性金屬表面實現(xiàn)單層冰 | 進展

金屬界面水主導(dǎo)著廣泛的物理化學(xué)現(xiàn)象，包括潤滑、多相催化、腐蝕及電化學(xué)反應(yīng)。界面結(jié)構(gòu)的形成源于水-水氫鍵作用與水-基底相互作用的微妙平衡。對界面水的微觀理解，特別是其結(jié)構(gòu)多樣性與動態(tài)行為，對電催化、納米流體及大氣化學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。近年來，人們發(fā)現(xiàn)親水性金屬襯底表面可以形成有序的二維冰晶體，其強水-襯底相互作用可穩(wěn)定氫鍵網(wǎng)絡(luò)。相比之下，疏水性金屬襯底由于吸附能較弱，水傾向于形成三維冰微晶、非晶薄膜或其他亞穩(wěn)態(tài)聚集體。一個值得關(guān)注的例外是Au(111)表面，其可穩(wěn)定存在一種互鎖雙層冰結(jié)構(gòu)——即通過完全氫鍵網(wǎng)絡(luò)連接的兩個平面六角冰層。相較之下，單層冰因氫鍵形成能力受限，長期以來被認(rèn)為無法在疏水性金屬表面穩(wěn)定存在。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SF09組的馮寶杰研究員、陳嵐研究員和吳克輝研究員（現(xiàn)錢塘高等研究院）長期從事表面科學(xué)和低維材料研究，近年來在金屬表面的二維冰體系中做出了多項重要工作。他們發(fā)現(xiàn)低能電子可以調(diào)控金屬表面冰的結(jié)構(gòu)，并基于此發(fā)展了低能電子輔助合成的方法。他們通過電子注入調(diào)控二維冰的結(jié)構(gòu)，在疏水性的Ag(111)表面成功合成了在275 K仍然穩(wěn)定的羥基化二維冰[J. Am. Chem. Soc. 147, 21162 (2025)]，并發(fā)現(xiàn)隨厚度變化的多鐵性[Nat. Commun. 16, 4809 (2025)]。

最近，他們指導(dǎo)博士生趙峭消，并與吉林大學(xué)王彥超教授，江蘇師范大學(xué)徐美玲教授合作，進一步利用此前發(fā)展的低能電子輔助合成技術(shù)，在疏水性襯底Au(111) 表面合成了單層冰，如圖所示。他們通過向Au(111)表面的雙層互鎖冰結(jié)構(gòu)注入低能電子成功誘導(dǎo)其相變?yōu)橐环N由完整水分子構(gòu)成的新型單層冰結(jié)構(gòu)。結(jié)合原位低能電子衍射、角分辨光電子能譜、X射線光電子能譜及第一性原理計算，他們系統(tǒng)性地研究了該冰相的原子結(jié)構(gòu)、電子特性與穩(wěn)定性。與Ag襯底不同，水分子在Au表面受到低能電子照射時不會脫氫，而是傾向于部分脫附，從而形成亞穩(wěn)態(tài)的單層冰。理論計算表明，該單層冰中的氫原子可能存在兩個能量相近的取向，兩種取向之間的切換可能存在質(zhì)子隧穿現(xiàn)象。

圖：在疏水性金屬表面實現(xiàn)單層冰。結(jié)構(gòu)模型、XPS、LEED、ARPES和理論計算數(shù)據(jù)。

這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了界面冰的相圖，而且為探索二維輕元素體系中的量子物性提供了新平臺。相關(guān)研究成果以“Synthesis of Monolayer Ice on a Hydrophobic Metal Surface”為題，發(fā)表在Journal of the American Chemical Society。物理所博士生趙峭消和江蘇師范大學(xué)徐美玲教授為共同第一作者；物理所馮寶杰研究員、陳嵐研究員以及吉林大學(xué)王彥超教授為共同通訊作者。該研究工作受到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年團隊項目的支持。

編輯：檸七