3月29日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員白雪冬、副研究員王立芬團隊與北京大學物理學院教授王恩哥、研究員陳基合作，在《自然》雜志在線發表文章，成功實現了以分子級分辨率觀測冰的生長結晶過程，發現水結晶可以形成單晶立方冰，并展示了立方冰晶中存在兩種不同的缺陷結構。

　　冰是物態最豐富的晶體之一，在目前已發現的二十種晶相中，僅有六角冰和立方冰可能存在于地球環境下。其中六角冰廣泛存在于自然界和人們日常生活中，而立方冰是否存在長期以來具有爭議。

　　王立芬解釋，在實驗室中，由于生長過程常伴隨缺陷，傳統的衍射手段難以將立方冰與堆垛無序冰(六角冰與立方冰在堆垛面隨機分布的特殊結構)區分開來，人們始終難以給出水結晶可以形成立方冰的直觀證據。

　　基于像差矯正電鏡和低劑量電子束成像技術，研究人員展示了-170℃左右的低溫襯底上氣相水凝結成冰晶的過程，發現立方冰在這種低溫襯底上的優先形核生長。分子級成像證實了水結晶可以形成各種形貌不一的單晶立方冰。同時，隨著時間增加，冰晶整體中六角冰的占比逐漸增加。

　　研究人員分析，這表明異質界面在立方冰的形成中起著重要作用。而自然界中常見的降雪大多都是水分子在灰塵礦物質等表面的凝聚生長，這種異質界面無處不在。

　　進一步地，研究人員表征了立方冰內部的常見缺陷。根據是否引進堆垛無序晶疇為標準，研究人員將立方冰內部的常見缺陷分為了兩類，并利用電子束的激發效應探究了堆垛無序晶疇部分的結構動力學。實驗觀測結合分子動力學模擬結果表明，這種富缺陷的結構并不穩定，在電子束的擾動下缺陷層發生結構構型的協同扭曲乃至整體的攀爬。

　　這項研究創造性地利用透射電鏡對冰的形成以及動力學行為進行高分辨直接成像，以直觀的實驗證據證實了水結晶可以形成單晶立方冰，有望促進對冰與自然界關系的新認識。王立芬告訴《中國科學報》，我們利用透射電鏡將冰的實驗研究深入到分子水平，這也為其他結構敏感材料的研究提供了新思路。(來源：中國科學報 劉如楠)