近日，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）等创新发展了低能电子辅助合成方法，在疏水性金属——银的表面，首次生长了一种稳定的单层水-羟基（H₂O-OH）结构。这一新形式六角二维冰结构的发现，改变了一百多年来人们的传统认识，进一步拓展了二维冰家族。

开启新认知的二维冰结构

自然界中水分子倾向于形成三维冰颗粒，而非稳定的二维结构。但冰与外界的相互作用都是通过表面接触来实现的，因此，研究二维尺度上的冰结构具有重要意义。

六角结构冰

金、银、铜等疏水性金属的表面结构相对简单，其较弱的相互作用使得水往往以分子团簇或者无定形的三维多层结构存在。此前，已有研究通过精确控制生长条件，在疏水的金表面[Au(111)]制备出了单晶的二维冰结构。但传统的低温吸附生长，无法在银衬底[Ag(111)]表面获得大面积单层有序结构。

物理所的科研人员与合作者改变思路，利用低能电子辅助合成方法，用电子束照射已经吸附在银表面的无定形水，使部分水分子发生解离脱氢，产生羟基（OH），与水分子形成了和银表面相互作用更强的二维H₂O-OH结构，并实现了不同层数材料的可控生长。

Ag(111)上H₂O-OH单层的合成与表征

实验证明，在超高真空条件下，这种结构在高于0℃（实际在280K约7℃）的温度时，也能维持在银表面。

该研究为以二维冰为代表的氢氧化物二维材料的生长提供了另一种可能。

新二维结构带来新特点

研究团队利用扫描隧道显微镜观察并描绘了H₂O-OH的形貌，利用X射线光电子能谱确认了H₂O-OH的化学组成，结合理论计算确认了二维H₂O-OH的原子结构。

多层H₂O-OH及其铁电极化特征

以往的实验结果表明，当各种金属表面温度高于零下123℃（150K）时，仅靠水分子单一组分构成的各种二维冰结构，就会受热并从表面脱附。

而在羟基化二维冰结构里，电子束诱导的羟基的生成，加强了该结构与金属的相互作用，提升了氢氧化物二维材料的解吸温度。

不仅如此，理论计算还发现通过调控多层H₂O-OH层间结构，可以实现磁性的可逆切换：一方面，层间堆叠促进H₂O₂分子的形成，使未配对电子配对，从而诱导铁磁性向非磁性转变；另一方面，层间滑移抑制H₂O₂分子形成，恢复未配对电子，从而实现非磁性向铁磁性转变。这一磁相变过程可被外加电场有效调控。

近年来，各种新型的调控手段，为人类展现出更多新奇的二维冰或水合离子结构。但人们对水的了解宛如“冰山一角”，“表面”之下，还有大量未知等待被发现。

（来源：中国科学院物理研究所）