金屬界面水主導(dǎo)著廣泛的物理化學(xué)現(xiàn)象。界面結(jié)構(gòu)的形成，源于水—水氫鍵作用與水—基底相互作用的微妙平衡。對(duì)界面水特別是其結(jié)構(gòu)多樣性與動(dòng)態(tài)行為的微觀理解，對(duì)電催化、納米流體及大氣化學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。已有研究發(fā)現(xiàn)，親水性金屬襯底表面可以形成有序的二維冰晶體，其強(qiáng)水—襯底相互作用能夠穩(wěn)定氫鍵網(wǎng)絡(luò)。相比之下，疏水性金屬襯底由于吸附能較弱，水傾向于形成三維冰微晶、非晶薄膜或其他亞穩(wěn)態(tài)聚集體。但是，Au(111)表面可穩(wěn)定存在互鎖雙層冰結(jié)構(gòu)，即通過(guò)完全氫鍵網(wǎng)絡(luò)連接的兩個(gè)平面六角冰層。相較之下，單層冰因氫鍵形成能力受限，被認(rèn)為無(wú)法在疏水性金屬表面穩(wěn)定存在。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心等，利用此前發(fā)展的低能電子輔助合成技術(shù)，在疏水性襯底Au(111) 表面合成了單層冰。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)向Au(111)表面的雙層互鎖冰結(jié)構(gòu)注入低能電子，誘導(dǎo)其相變?yōu)橛赏暾肿訕?gòu)成的新型單層冰結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)結(jié)合原位低能電子衍射、角分辨光電子能譜、X射線光電子能譜及第一性原理計(jì)算，研究了該冰相的原子結(jié)構(gòu)、電子特性與穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與Ag襯底不同，水分子在Au表面受到低能電子照射時(shí)不會(huì)脫氫，而是傾向于部分脫附，從而形成亞穩(wěn)態(tài)的單層冰。理論計(jì)算表明，該單層冰中的氫原子可能存在兩個(gè)能量相近的取向，且兩種取向之間的切換可能存在質(zhì)子隧穿現(xiàn)象。

上述發(fā)現(xiàn)拓展了界面冰的相圖，為探索二維輕元素體系中的量子物性提供了新平臺(tái)。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。