自然界中常见的降雪大多都是水分子在灰尘矿物质等表面的凝聚生长，是最普遍的晶体生长现象，相应气固、液固相变物理/化学过程对应的物理机制被视为经典相变理论的原型模板。但这一自然条件下常见的宏观相变的微观机理受制于显微技术的发展一直面对着众多争议，其中一个受到气象学、晶体学、以及生物学等多个领域广泛关注但悬而未决的争议问题是：除了常见的六角冰，单晶、纯相的立方冰是否自然存在？

近日，物理所王立芬（第10批会员）所在团队通过发展原位冷冻电镜技术，结合原子分辨像差校正电镜技术和低剂量电子束成像技术，在冰的结晶微观机制研究上取得突破。在分子分辨水平，通过原位实时地观察电镜镜筒中的残存水蒸气在近液氮温度（102 K）的不同衬底上冷凝结冰的微观动态过程，发现水在衬底上首先会形成无定形冰，随后大多会结晶形成纯相的单晶立方冰。在实现单个冰晶颗粒高空间分辨的基础上，通过大量单颗粒实时追踪观察统计，发现在同样的低温、低压热力学条件下，水的气相沉积结晶过程优先形成立方冰，并同时存在六角冰的独立形核生长。这一工作为低温低压下冰的异质形核提供了微观动力学过程细节，揭示了异质界面对立方冰的偏好形核生长，为解释众多相似热力学条件下得到的多样化的冰晶提供了合理的解释。基于实空间成像，立方冰内部的常见缺陷也首次被清晰展示，并展示了立方冰晶中存在两种不同的缺陷结构。利用电子束同时作为表征手段和能量扰动源，该研究系统调控、观测了立方冰中缺陷相变的结构动力学，发现立方冰中密堆积面缺陷倾向于沿面内滑移，展示了与常见面心立方密堆积结构材料的缺陷动力学的相似性。

  该研究以直观确凿的实空间实验证据展示了低温气相沉积过程中单晶立方冰的形成过程，澄清了关于单晶纯相立方冰能否形成的争议，最近以“Tracking cubic ice at molecular resolution”为题在Nature杂志上于2023年3月29日在线发表，中科院物理所王立芬副研究员为文章共同第一作者（2/3）和通讯作者。该工作得到了国家基金委、中科院、科技部、北京自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会的资助。

文章图1：原位冷冻电镜实验装置示意图（a, b）与低剂量电子束成像（c-e）、电子能量损失谱（f）捕捉到的分子分辨尺度的单晶立方冰的形核生长过程。

会员简介

王立芬，女，1985年生，中科院物理所副研究员，中科院青促会会员，博士生导师。2014年毕业于中国科学院物理研究所；2014-2018年任美国阿贡国家实验室博士后研究员；2018年9月入选中科院物理所所级海外青年人才计划；2020年入选中科院青促会会员；近五年发表Nature 2篇、Physical Review Letters 2篇等学术文章十余篇。担任Chinese Physics Letters、Chinese Physics B、Acta Physica Sinica、Physics期刊青年编委。