冰是水的常见形态，由水分子规则排列形成，其结构与核化生长特性在材料科学、大气科学、生物科学、低温制冷、食品工程、土木工程等众多领域至关重要。经过近一百年的研究和探索，迄今已经发现了冰的18种晶相（三维冰相），其中自然界最常见的冰相为六角结构冰。

自20世纪80年代，各种新冰相预测引起了研究者的普遍关注。预测新冰相需要模拟极端条件，即超高压、高温、高外电场、强负压或纳米尺度约束。在过去的二十年中，通过实验室计算证实了大量低维冰相的存在，促进了低维冰相预测的发展。

纳米尺度约束被视为一个可调变量，可以影响水分子在冻结相变过程中氢键网状结构的形成。2020年，我国科研人员首次证实了冰在二维极限下可以稳定存在。尽管二维冰的形成需要纳米尺度限制，但在非受限条件下二维双层冰与三维冰共存的物理机制仍未被充分揭示。

中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学与冻土工程重点实验室，联合重庆交通大学未来土木科技研究院、澳大利亚悉尼科技大学、西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室等多家单位科研人员对二维双层冰与三维冰共存的现象进行了探索研究。

研究人员探索了通过调整固－液界面的相互作用控制低维冰与高维冰形成的可能性，确定了一个关键的表面能参数，当该参数超过临界值时，二维冰与三维冰可以在表面共存。研究人员通过捕捉亚稳态边缘结构冰晶的生长与融合过程，揭示了二维冰的生长机制，并预测了温度、压力与能量参数之间的相图，以区分液态水、二维冰和三维冰。

此外，研究表明，共存冰的除冰特性表明，冰的粘附强度与冰－表面相互作用与温度的比值呈线性关系。对于气－固相转变，预测了温度与能量参数的相图，以区分气相水、液态水、二维冰和三维冰。

本研究从分子层面揭示了二维冰与三维冰在非受限条件下共存的形成机理和除冰特性，为理解纳米尺度下冰晶的独特结构和动态演化提供了全新视角，并有望推动未来实现低维冰与高维冰稳定共存的实验研究。

研究成果以　Two－dimensional　bilayer　ice　in　coexistence　with　three－dimensional　ice　without　confinement　为题，于2024年7月9日发表于国际期刊《自然－通讯》（Nature　Communications）　。西北研究院博士后蒋静为论文第一作者，西北研究院／重庆交通大学赖远明院士为通讯作者，悉尼科技大学盛岱超院士、西安交通大学唐桂华教授、西北研究院张明义研究员、大连海事大学牛东副教授、西北研究院余帆研究员为共同作者。该研究获国家自然科学基金项目与中国科学院前沿科学重点研究项目共同资助。

论文链接：https：／／www．nature．com／articles／s41467－024－50187－2　

二维冰与三维冰共存生长特性