二维冰—微观世界的丰富多彩

何为复杂，何又为简单呢？水，生命之源，在人们生活中广泛存在，时常觉得水不就是H2O吗？然而，水又具有许多反常特性，例如：结冰后体积反而变大、热水比冷水更容易结冰以及具有超级大的比热容和表面张力等，使之又极其复杂，😬。

近来，国内多个课题组在水结冰的机理性研究方面取得了突破性的成果，从宏观、微观角度，探究水成冰的过程，具体结果如下：在介观和宏观尺度上，中科院相关课题组从实验上证实了临界冰核的存在，对加深相变成核现象的理解提供基础。然而，水结冰过程在原子尺度是什么样的表征，结冰过程中每个原子的能量变化是什么情况，北京大学王恩哥等课题组对此进行了回答，具体如下：

细细想来，多少先贤们以水为载体，把人生智慧寄托其上，例如：1、兵无常势、水无常形；2、水滴石川；3、冰冻三尺非一日之寒；4、上善若水等等，时而又觉得看不透其中的本质，😏。

No.1

文章介绍

在受限空间和表面上，低维冰的形成和生长是一种普遍现象，例如：在金属、绝缘体、石墨与石墨烯表面以及强束缚体系中，已经获得了水的吸附层和二维冰的结构图像（西南大学），并且国内相关课题组（南京航空航天大学）也从成键方式上对该问题进行了解释，发现水的结构受基底约束过程中，其氢键结构与自由状态具有明显的区别。近来，北京大学相关课题组通过实验与理论相结合的方法，首次在原子尺度下表征了二维冰成核生长的过程，提出了具有一定普适性的生长机制，有助于人们理解冰从二维生长转变为三维生长的过程，相关成果在Nature上发表（Atomic imaging of the edge structure and growth of a two-dimensional hexagonal ice）。

二维冰的生长过程

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思考：根据理论计算和模拟的结果，二维冰边界亚稳态的相对稳定性与衬底的具体结构几乎无关，研究者认为该生长机制具有一定的普适性，适用于其他疏水的衬底。

No.2

前期基础

2018年，江颖课题组发展了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，实现了氢原子的直接成像和空间定位，对单个水分子团簇（Nat. Com. 9, 122 (2018)）和离子水合物（Nature 557,701 (2018)）的原子结构进行了高分辨成像，而且这种成像技术对水分子的扰动极小。因此，在本工作中，研究人员进一步将该技术运用于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。

计算

No.3

附件

水在冰川、河流以及大海中广泛存在，细细想来，发现水具有一些独特的的性质，甚是奇妙，主要有：

思考一、结冰和凝固有什么不同，为何水结冰后密度变小，花生油凝固后密度变大？它们在原子成键方式上有什么不同？

场景：寒冷的冬天，冰层悬浮于水表面；年三十具有过油的传统，在油锅里边放入凝固的花生油，会发现随之沉到锅。

思考二、水为什么在4℃的时候密度最大？

水结冰密度变小可以比较容易的理解，为何在没有结冰之前，随着水温的降低（低于4℃），为何密度会逐渐增大？

示例：在寒冷的冬天，湖面上结出厚厚的冰层，然而细细想来，你会觉得自然的美妙，冥冥中处于一种最优的状态。

在结冰后，靠近冰层水的温度接近0℃，水底的温度为4℃（家里经常说的井温水），假使在结冰以前，随着温度的降低，水的密度逐渐升高，那么在重力的作用下，井温水（4℃）会逐渐漂浮在湖泊表面，在温度作用下，冰层逐渐融化。因此，也可以说因为水密度的原因，自然界中产生了冰的概念。

既然万物都在所处的外界条件下处于最优的选择，那么井温水在地壳中所处的外界条件是什么样子的？4℃有什么特殊的机制吗，在第一性原理计算中电子结构等物理参量有什么表征吗？了解相关机理后，能否对能源（地热）的利用产生大的变革？

思考三、研究表明，在不同的条件下，水呈现出多种不同的相（固、液、气、超临界流体、等离子体、波色—爱因斯坦凝聚态等状态），在这些不同的相中，水都会表现出不同的特性，例如水的粘滞系数、自扩散系数、压缩系数、拉曼光谱等物理化学性质都会发生变化，不同物理化学性质的改变在微观上具有什么特征？

例如：水的粘性在第一性原理通过什么来进行衡量、表征，水由液态转换为气态过程中，粘性力变化的过程是什么样子的。

思考四、细胞中具有各种各样的微观结构，他们中的水循环是什么样的，蕴含着什么样的机理？细胞膜基底对水的约束是什么样子的？

ps: 水在生物体中存在的形式有自由水、结合水两种，他们在成键方式上又有什么区别？

其中，结合水表述为吸附和结合在有机固体物质上的水，主要是依靠氢键与蛋白质的极性基（羧基和氨基）相结合形成的水胶体。