二維冰，是冰在二維極限下的單晶結構。
2015年，石墨烯發現者安德魯蓋姆帶領的團隊在雙層石墨烯間發現了一種四方二維冰相。之后，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心王恩哥院士與北京大學物理學院量子材料中心江穎、徐莉梅以及美國內布拉斯加大學林肯分校曽曉成合作，利用高分辨qPlus型原子力顯微鏡技術，首次在實驗上證實了冰在二維極限下可以穩定存在，將其命名為：二維冰I相。2024年6月14日，《科學》發表一項最新研究，中國科學家發現如果把冰結在石墨烯等特定材料上，只讓其生長一兩個分子層（稱為二維冰），那么冰與材料表面之間的摩擦力就會消失。
科研人員精確控制溫度和水壓，在疏水的金襯底上，生長出一種單晶二維冰結構。他們將非侵擾式原子力顯微鏡成像技術運用于二維冰的亞分子級分辨成像，再結合理論計算確定了其原子結構。二維冰由兩層六角冰無旋轉堆疊而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個水分子與同一層的水分子形成三個氫鍵，與上下層的水分子形成一個氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結構非常穩定，是一種可以獨立存在的‘自飽和’二維冰。二維冰的發現改變了一百多年來人們對冰相的傳統認識，開啟了探究二維冰家族系列的大門，為冰在低維和受限條件下的形態和生長提供給了全新的圖像。二維冰可以作為一種特殊的二維材料，為高溫超導電性、深紫外探測、冷凍電鏡成像等研究提供全新的平臺。
背景
在20世紀20年代，英國著名物理學家、X射線發現者布拉格與其它幾位科學家便分別利用X射線“描繪”冰晶體結構，拉開了三維冰結構研究的序幕。
1997年，Koga和曽曉成等人利用分子動力學模擬首次預測了這種“互鎖型”雙層二維冰（PRL 79, 5262 (1997)，昵稱：Nebraska Ice，美國Nebraska州的印第安語意：廣闊淺平的河水），但一直缺乏確切的結構實驗證據。因此，這也是第一種被實驗所證實的二維冰結構，研究人員將它正式命名為：二維冰I相。
2015年，石墨烯發現者安德魯蓋姆帶領的團隊在雙層石墨烯間發現了一種四方二維冰相，轟動學術界，但這種二維冰隨后被質疑是氯化鈉的晶體結構，二維冰存在與否一直成謎。
歷程
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心王恩哥院士與北京大學物理學院量子材料中心江穎、徐莉梅以及美國內布拉斯加大學林肯分校曽曉成合作，利用高分辨qPlus型原子力顯微鏡技術，首次在實驗上證實了冰在二維極限下可以穩定存在，將其命名為：二維冰I相，并以原子級分辨率拍到了二維冰的形成過程，揭示了其獨特的生長機制。相關成果于2020年1月2日發表在自然上。
2024年6月14日，《科學》發表一項最新研究，中國科學家發現如果把冰結在石墨烯等特定材料上，只讓其生長一兩個分子層（稱為二維冰），那么冰與材料表面之間的摩擦力就會消失。該研究中，研究人員首先使銅表面的石墨烯和氮化硼襯底上生長出了二維冰島，并直接觀察到了二維冰島的微觀結構。借助自主研發的原子級分辨率掃描探針顯微鏡的針尖，他們提出了測量原子級別摩擦力的新方法。測量結果顯示，在石墨烯表面，二維冰面積越大，單位面積的摩擦力越以冪指數遞減，直至趨近于零；在氮化硼表面，二維冰摩擦力與面積無關，始終為一個恒定值。
形成
科研人員精確控制溫度和水壓，在疏水的金襯底上，生長出一種單晶二維冰結構。他們將非侵擾式原子力顯微鏡成像技術運用于二維冰的亞分子級分辨成像，再結合理論計算確定了其原子結構。
結構
二維冰由兩層六角冰無旋轉堆疊而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個水分子與同一層的水分子形成三個氫鍵，與上下層的水分子形成一個氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結構非常穩定，是一種可以獨立存在的‘自飽和’二維冰。
研究人員通過精確控制溫度和水壓，成功在疏水的金襯底（Au(111)）上生長出了一種單晶二維冰結構，這種二維冰可以完全鋪滿襯底。研究人員進一步利用基于一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術（non-invasive AFM），借助高階靜電力，實現了二維冰的亞分子級分辨成像，并結合理論計算確定了其原子結構二。
這種二維冰由兩層六角冰無旋轉堆垛而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個水分子與面內水分子形成三個氫鍵，與面外水分子形成一個氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結構非常穩定，與襯底相互作用很弱，是一種本征的二維冰結構。
研究
使銅表面的石墨烯和氮化硼襯底上生長出了二維冰島，并直接觀察到了二維冰島的微觀結構。借助自主研發的原子級分辨率掃描探針顯微鏡的針尖，他們提出了測量原子級別摩擦力的新方法。測量結果顯示，在石墨烯表面，二維冰面積越大，單位面積的摩擦力越以冪指數遞減，直至趨近于零；在氮化硼表面，二維冰摩擦力與面積無關，始終為一個恒定值。
前景
二維冰可以作為一種特殊的二維材料，為高溫超導電性、深紫外探測、冷凍電鏡成像等研究提供全新的平臺。
意義
二維冰的發現改變了一百多年來人們對冰相的傳統認識，開啟了探究二維冰家族系列的大門，為冰在低維和受限條件下的形態和生長提供給了全新的圖像。
參考資料 >
重磅！科學家發現了第一種二維冰相.百家號.2024-06-16
進展｜首次在實驗上證實二維冰的存在并揭示其生長機制.百家號.2024-06-16
中國科學家創造出無摩擦力的冰.百家號.2024-06-16