【儀表網 研發快訊】金屬界面水主導著廣泛的物理化學現象，包括潤滑、多相催化、腐蝕及電化學反應。界面結構的形成源于水-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，特別是其結構多樣性與動態行為，對電催化、納米流體及大氣化學等領域具有重要意義。近年來，人們發現親水性金屬襯底表面可以形成有序的二維冰晶體，其強水-襯底相互作用可穩定氫鍵網絡。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態聚集體。一個值得關注的例外是Au(111)表面，其可穩定存在一種互鎖雙層冰結構——即通過完全氫鍵網絡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，長期以來被認為無法在疏水性金屬表面穩定存在。
 

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

　　最近，他們指導博士生趙峭消，并與吉林大學王彥超教授，江蘇師范大學徐美玲教授合作，進一步利用此前發展的低能電子輔助合成技術，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構注入低能電子成功誘導其相變為一種由完整水分子構成的新型單層冰結構。結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，他們系統性地研究了該冰相的原子結構、電子特性與穩定性。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，從而形成亞穩態的單層冰。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子隧穿現象。
 

　　這一發現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。相關研究成果以“Synthesis of Monolayer Ice on a Hydrophobic Metal Surface”為題，發表在Journal of the American Chemical Society。物理所博士生趙峭消和江蘇師范大學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計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院青年團隊項目的支持。
 

　　圖：在疏水性金屬表面實現單層冰。結構模型、XPS、LEED、ARPES和理論計算數據。