二维冰，是冰在二维极限下的单晶结构。

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。之后，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王恩哥院士与北京大学物理学院量子材料中心江颖、徐莉梅以及美国内布拉斯加大学林肯分校曽晓成合作，利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术，首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在，将其命名为：二维冰I相。2024年6月14日，《科学》发表一项最新研究，中国科学家发现如果把冰结在石墨烯等特定材料上，只让其生长一两个分子层（称为二维冰），那么冰与材料表面之间的摩擦力就会消失。

科研人员精确控制温度和水压，在疏水的金衬底上，生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术运用于二维冰的亚分子级分辨成像，再结合理论计算确定了其原子结构。二维冰由两层六角冰无旋转堆叠而成，两层之间靠氢键连接，每个水分子与同一层的水分子形成三个氢键，与上下层的水分子形成一个氢键，因此所有的氢键都被饱和，结构非常稳定，是一种可以独立存在的‘自饱和’二维冰。二维冰的发现改变了一百多年来人们对冰相的传统认识，开启了探究二维冰家族系列的大门，为冰在低维和受限条件下的形态和生长提供给了全新的图像。二维冰可以作为一种特殊的二维材料，为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的平台。

背景

在20世纪20年代，英国著名物理学家、X射线发现者布拉格与其它几位科学家便分别利用X射线“描绘”冰晶体结构，拉开了三维冰结构研究的序幕。

1997年，Koga和曽晓成等人利用分子动力学模拟首次预测了这种“互锁型”双层二维冰（PRL 79, 5262 (1997)，昵称：Nebraska Ice，美国Nebraska州的印第安语意：广阔浅平的河水），但一直缺乏确切的结构实验证据。因此，这也是第一种被实验所证实的二维冰结构，研究人员将它正式命名为：二维冰I相。

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，轰动学术界，但这种二维冰随后被质疑是氯化钠的晶体结构，二维冰存在与否一直成谜。

历程

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王恩哥院士与北京大学物理学院量子材料中心江颖、徐莉梅以及美国内布拉斯加大学林肯分校曽晓成合作，利用高分辨qPlus型原子力显微镜技术，首次在实验上证实了冰在二维极限下可以稳定存在，将其命名为：二维冰I相，并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程，揭示了其独特的生长机制。相关成果于2020年1月2日发表在自然上。

2024年6月14日，《科学》发表一项最新研究，中国科学家发现如果把冰结在石墨烯等特定材料上，只让其生长一两个分子层（称为二维冰），那么冰与材料表面之间的摩擦力就会消失。该研究中，研究人员首先使铜表面的石墨烯和氮化硼衬底上生长出了二维冰岛，并直接观察到了二维冰岛的微观结构。借助自主研发的原子级分辨率扫描探针显微镜的针尖，他们提出了测量原子级别摩擦力的新方法。测量结果显示，在石墨烯表面，二维冰面积越大，单位面积的摩擦力越以幂指数递减，直至趋近于零；在氮化硼表面，二维冰摩擦力与面积无关，始终为一个恒定值。

形成

科研人员精确控制温度和水压，在疏水的金衬底上，生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术运用于二维冰的亚分子级分辨成像，再结合理论计算确定了其原子结构。

结构

二维冰由两层六角冰无旋转堆叠而成，两层之间靠氢键连接，每个水分子与同一层的水分子形成三个氢键，与上下层的水分子形成一个氢键，因此所有的氢键都被饱和，结构非常稳定，是一种可以独立存在的‘自饱和’二维冰。

研究人员通过精确控制温度和水压，成功在疏水的金衬底（Au(111)）上生长出了一种单晶二维冰结构，这种二维冰可以完全铺满衬底。研究人员进一步利用基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术（non-invasive AFM），借助高阶静电力，实现了二维冰的亚分子级分辨成像，并结合理论计算确定了其原子结构二。

这种二维冰由两层六角冰无旋转堆垛而成，两层之间靠氢键连接，每个水分子与面内水分子形成三个氢键，与面外水分子形成一个氢键，因此所有的氢键都被饱和，结构非常稳定，与衬底相互作用很弱，是一种本征的二维冰结构。

研究

使铜表面的石墨烯和氮化硼衬底上生长出了二维冰岛，并直接观察到了二维冰岛的微观结构。借助自主研发的原子级分辨率扫描探针显微镜的针尖，他们提出了测量原子级别摩擦力的新方法。测量结果显示，在石墨烯表面，二维冰面积越大，单位面积的摩擦力越以幂指数递减，直至趋近于零；在氮化硼表面，二维冰摩擦力与面积无关，始终为一个恒定值。

前景

二维冰可以作为一种特殊的二维材料，为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的平台。

意义

二维冰的发现改变了一百多年来人们对冰相的传统认识，开启了探究二维冰家族系列的大门，为冰在低维和受限条件下的形态和生长提供给了全新的图像。

参考资料

重磅！科学家发现了第一种二维冰相.百家号.2024-06-16

进展｜首次在实验上证实二维冰的存在并揭示其生长机制.百家号.2024-06-16

中国科学家创造出无摩擦力的冰.百家号.2024-06-16