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西南大学在二维水结构和氢键方面取得重要研究进展
2018-12-27 中国高校之窗

  近日,西南大学物理科学与技术学院王俊忠教授课题组在二维水结构和氢键方面取得重要研究进展,在石墨基底上制备出一种新奇的单层冰,相关研究成果以“非共边的六角单层冰”(A Hexagonal Monolayer Ice Without Shared Edges)为题在国际顶级物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters,影响因子为8.8)上在线发表。学校为论文成果的第一完成单位,第一作者是王俊忠教授指导的硕士研究生张鑫,通讯作者分别是王俊忠教授和中科院物理研究所的孟胜研究员。《物理评论快报》是美国物理学会主办的物理类综合期刊,被认为是物理学领域最权威的杂志。这是学校物理科学与技术学院首次作为第一单位在该期刊上发表学术论文,是该院科研工作的重要突破。

  水既是生命的重要组成部分,又是生命赖以生存的必要物质,被誉为“生命之源”,在物理、化学、材料、和环境科学领域具有重要的应用价值。随着温度的降低,水会在气态、液态、和固态(冰)之间发生结构相变。当水分子被限制在纳米通道或固体表面上时,维度和尺寸效应会使水呈现出许多新的结构。例如,当被限制在碳纳米管中时,水分子会形成新奇的正方冰和五边冰,其对称性明显不同于自然界中常见的雪花和六角冰。

  王俊忠教授课题组利用低温生长和后期退火方法制备出二维冰膜,并发现水分子在石墨衬底上能够形成一种新的高密度冰。高分辨的STM图表明,这种高密度的单层冰是由众多的水六聚体自组装而成,每个六聚体表现为独立的六元环结构(如图所示)。相邻的六元环平行排列但不共边,非常类似于水的高压相:冰-II。这意味着利用简单的表面吸附手段,就可以制备出水的高压结构。同时,王俊忠教授组指出这种单层冰与悬浮的二维石墨烯非常类似。在STM针尖的操纵下,单层冰可以在石墨衬底上滑动或转动,甚至可以跨越衬底的台阶而不发生断裂,具有良好的韧性。通过第一原理计算和分子动力学模拟,他们发现石墨衬底和冰单层之间存在非常强的层间吸引力,相当于8000个大气压。水分子也就是在此力的作用下形成了类似于高压相冰-II的单层冰。这些研究成果启示人们可以利用表面效应来制备高密度冰和新型二维材料。

  王俊忠教授课题组利用原子分辨的扫描隧道显微镜和分子束外延设备,研究金属薄膜和分子薄膜的量子效应,低维纳米结构的电子态和性质,取得了一系列成果。近年来主持5项国家自然科学基金面上项目,以通讯作者或第一作者在国际重要学术期刊上发表多篇论文,包括2篇ACS Nano (IF: 13.7),1篇Small (IF: 9.5),1篇2D Materials (IF: 7.0),5篇Physical Review B (IF: 3.8)。(通讯员:韩笑 周翱)

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