本网讯（物质科学与信息技术研究院）H2O是对生命至关重要的基本物质之一，对其结构及其结晶机理的理解引起人们广泛的关注。由于氢键网络的多样性以及氢原子的有序/无序占位的变化，目前已经发现的晶体冰相就有20种。然而，由于冰苛刻的存在条件（高压或者低温）和有限的研究手段，目前分子尺度上冰的微观结构研究的仍然不多。
我校材料学部葛炳辉教授团队南鹏飞助理研究员与南方科技大学朱金龙教授以及宾夕法尼亚大学的Joseph S. Francisco合作，借助冷冻电镜的制样和成像技术，利用液氮条件下的超低温下冷却结晶方法获得微米尺度的大面积准二维冰膜，通过冷冻HRTEM检查确认为六角相（Ih）冰膜。发现沿[0001]方向六角冰完美结晶，而沿[1-100]方向生长出大量堆垛层错。同时，直接观察到了基面层错（BSF）和柱面层错（PSF）相交的缺陷结构，并首次报告了冰 Ih中 PSF。此外，MD 模拟证明了以BSF形式存在的Ic相结构单元可能的生长路径；并推测随着椅型构象沿 [0001] 方向的平移延伸，使得该完整Ih相得以稳定。该结果将促进人们对晶体冰生长动力学的理解。相关研究以“准二维六角冰中分子堆垛的直接观察 ”为题发表在《美国化学会志》杂志上。
图 1.冰膜的结构表征。(a) 冰膜的低倍 TEM 像。(b、c）分别沿 [0001] 和 [1-100] 方向的电子衍射图。(d、g）冰的 [0001] 和 [1-100] TEM 像及相应的 FFT 插图。(e）[0001] HRTEM 像，右上角叠加了投影原子模型。右下角插入冰 Ih在 [0001] 方向上的模拟 HRTEM 像。(h) 冰的[1-100] HRTEM 像，右上角叠加了原子模型。右下角插入冰 Ih在[1-100]方向上的模拟 HRTEM 像。(f，i）冰 Ih沿[1-100]方向和 Ic沿[10-1]方向的投影结构模型。A、B 和 C 显示了具有一定位移的相应分子层。
图 2.冰 Ih中的堆垛层错。(a、c、e、g）冰 Ih中沿[1-100]方向观察到堆垛层错的 HRTEM 像及对应的模拟像。(c)、(e)和(g)中的蓝色和红色扭曲六边形环显示了结晶良好区域的特征，绿色六边形显示了 PSF 缺陷区域的特征。(b、d、f）BSF、PSF 1 和 PSF 2 的投影结构模型，其中（b）中的黄色圆圈代表缺陷区域形成的冰Ic结构。(h) BSF 和 PSF 连接示意图。