水和冰是這個世界上最常見的物質之一，是生命之源，也是物理、化學、生命科學和工程技術領域起到重要作用的物質。水和冰的研究幾乎貫穿了整個自然科學的曆史。得益于實驗探測手段的不斷進步，對于水和冰的相圖以及微觀結構的認識在過去幾十年得到了大大的推進，已經明确揭示的三維冰相就有18種。在自然界中，可以自發結晶的冰相也不是唯一的，除了最常見的六角相冰，還有一種非常神秘的立方冰。諾獎得主Linus Pauling最早基于剩餘熵理論預言了立方冰的存在，德國科學家H. König在1943年首次報道了立方冰的實驗探索。雖然此後又有更多的探索研究，已報道的工作仍不能對立方冰給出确定性的證據，也不了解立方冰在水的結晶過程中扮演的角色。立方冰之所以難以琢磨和備受争議，本質上是因為立方相冰和六角相冰同屬冰（I）相家族，它們擁有完全相同的水分子層狀結構（圖1），兩者結構的唯一不同在于兩者沿垂直這些層狀結構的方向上堆垛方式不同。在六角冰中，相鄰兩層鏡面對稱，而在立方冰中，每層相對于前一層有1/3周期的滑移。在水的結晶過程中，立方冰面臨着六角冰的激烈競争，而且即便立方冰可以短暫出現，它也很容易轉變成六角冰或者是所謂的“堆垛無序冰”。

圖1，冰（I）相的結構。a：冰（I）相的層狀結構；b：六角冰；c：四方冰；d：堆垛無序冰。

近期，針對這一重要的科學問題，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所陳基研究員和量子材料中心王恩哥院士與中國科學院物理研究所白雪冬研究員和王立芬副研究員開展合作，對高純單晶立方冰的生長進行了深入的探索。白雪冬-王立芬實驗團隊利用白雪冬課題組研發的原位冷凍電鏡技術，在透射電鏡内首次實現了高純單晶大顆粒立方冰的制備，并利用原子分子分辨的低劑量電子束成像技術對立方冰進行了原位表征，實時的追蹤了立方冰的生長動力學，通過電子束擾動技術探究了立方冰-六角冰轉變過程中堆垛無序晶疇的結構動力學。王恩哥-陳基理論團隊利用分子動力學模拟開展了理論計算研究，對立方冰的穩定性、缺陷結構及動力學問題進行了深入的分析，對立方冰與六角冰的競争生長機理和立方冰的缺陷結構及動力學提供了理論描述，揭示了立方冰正四面體結構的協同扭曲、氫鍵的鍵長拉伸、鍵角改變、層錯應力釋放等微觀過程。該工作對于我們理解自然界中冰的成核機制和立方冰-六角冰轉變等過程都有重要意義。相關研究成果以“分子尺度追蹤立方冰（Tracking cubic ice at molecular resolution）”為題于2023年3月29日在《Nature》期刊發表（DOI: 10.1038/s41586-023-05864-5）。

beat365官方网站2021級博士生劉科陽在陳基研究員和王恩哥院士的指導下完成了理論計算部分的研究，與中國科學院物理研究所博士生黃旭丹，副研究員王立芬為共同第一作者。王立芬、陳基、王恩哥和白雪冬為共同通訊作者。參與本項目的合作者還有beat365官方网站江穎教授、beat365材料學院劉磊研究員以及中國科學院物理研究所許智高級工程師、田學增副研究員和王文龍研究員等。上述工作得到了國家基金委、中國科學院、科技部、北京自然科學基金委和中國科學院青促會的資助。

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