單層螺旋冰的發現

水是自然界最神奇的物質之一。每個水分子由一個氧原子通過共價鍵連接兩個氫原子構成，其中氧通過共享氫的電子呈電負性，而氫原子帶正電。因此，水分子具有很強的極性，可與周圍水分子通過庫倫相互作用形成氫鍵。每個氫鍵的鍵能大約是水分子單個共價鍵鍵能的1/30。強共價鍵與較弱氫鍵的無限組合使得水的結構和狀態極為豐富，在常溫範圍即可以氣、液、固三種形態存在。2005年《科學》雜誌將水的結構是什麼成列為人類面臨的125個基本問題之一。

固體表面的水在日常生活中隨處可見。理解水在固體表面的微觀結構對促進生物功能體系、新型能量轉換、水潤滑等領域的認識與發展具有重要的科學意義。固體表面不僅會約束水分子的空間排列，還會與水之間形成顯著的界面作用。後者更是與水中的氫鍵作用相互耦合，導致固體表面會出現奇特的冰結構。

近日，南京航空航天大學的張助華教授（點擊查看介紹）和郭萬林教授（點擊查看介紹）團隊基於自主編寫的結構搜索程序並結合第一性原理計算，發現了一種新的二維冰結構。該模型構成單元中的六個水分子沿法線方向呈螺旋狀排列，被稱為「單層螺旋冰」。單層螺旋冰的氫鍵網絡是由三配位和四配位的水分子混合而成，且氫鍵的幾何結構與理想情況較為接近。因此，在相當大的水分子密度範圍內，這種單層螺旋冰無論在真空還是在弱相互作用的基底上都比之前報導的所有單層和雙層冰結構都更穩定。尤為特別的是，這種螺旋冰在晶格常數、水密度和模擬的摩爾紋圖案等方面都與最近實驗報導的非共邊六方單層冰結果相符（Phys. Rev. Lett., 2018, 121, 256001）。該模型的螺旋特徵與之前報導的一維冰結構中螺旋結構有類似性，有助於進一步認識受限條件下氫鍵的奇特性質。

二維螺旋冰的結構示意圖

該研究成果改變了人們對二維冰結構的傳統認識，對材料科學、摩擦學、生物學等領域中的科學問題的研究有著的重要的指導意義。論文發表於The Journal of Physical Chemistry Letters，第一作者為許瑩博士，通訊作者為張助華教授和郭萬林院士，共同作者還包括軒嘯宇。