近日，吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室王彦超教授团队在疏水性金属表面实现单层冰相的可控合成方面取得新进展。水与金属界面的相互作用是催化、电化学与大气科学等领域的基础科学问题之一。在亲水性表面上，水分子与基底之间较强的相互作用可稳定有序氢键网络，使单层冰相得到充分证实。相比之下，在疏水性金属表面上，单层冰相通常被认为在热力学上不利，水更倾向形成无定形薄膜、三维晶粒或互锁双层冰结构。

本研究采用低能电子辅助生长方法，在疏水性Au(111)表面实现了单层冰相的合成。研究发现，通过向双层互锁冰结构注入低能电子，可诱导其发生相变，形成一种由完整水分子构成的单层结构。团队结合低能电子衍射、角分辨光电子能谱与X射线光电子能谱等表征手段和第一性原理计算模拟方法，系统揭示了该单层冰相的原子结构和电子特性。团队结合前期在疏水性Ag(111)表面制备的长程有序H₂O–OH单分子层研究[J. Am. Chem. Soc. 147, 21162 (2025)]，进一步阐明金属衬底电子环境对冰生长路径的关键调控作用，即Au(111)更强的导电与屏蔽效应使注入电子快速弛豫，抑制抑制瞬态H₂O^-共振态和O–H键断裂过程，从而稳定形成完整单层冰相。该工作拓展了界面水的相图，揭示了衬底电子结构在二维分子体系可控生长中的决定性作用，并为探索二维轻元素体系中的量子与集体现象提供了新的平台。相关成果以“Synthesis of Monolayer Ice on a Hydrophobic Metal Surface”为题，发表于《Journal of the American Chemical Society》。

论文第一作者为中国科学院物理研究所博士生赵峭消，共同第一作者为江苏师范大学徐美玲副教授（物质模拟方法与软件教育部重点实验室2015级博士生）。通讯作者为吉林大学王彦超教授、中科院物理研究所冯宝杰教授和陈岚教授。本研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助支持。

图一 二维冰单层结构在疏水金属表面结构对比图

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c17012