研究人員透過將一滴水壓平在兩層石墨烯之間，創造了一種新型冰。它只有幾個分子厚，其原子被鎖定在一個正方形網格圖案中。
“方形冰”的發現突顯了石墨烯的另一個非凡特性，石墨烯由扁平的原子級薄碳片組成。石墨烯片不僅非常堅硬、強度高且導電，而且還能對夾在它們之間的分子施加巨大的壓力。這可以解釋為什麼水能非常快速地滲過石墨烯堆疊層——這一特性表明該材料可用於海水淡化膜以淨化水。
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早在2012年，英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆（Andre Geim）領導的團隊（他因分離和研究石墨烯而分享了2010年諾貝爾物理學獎）發現，水蒸氣可以穿過氧化石墨烯層壓片，這是連氦氣都無法做到的。兩年後，他們表明液態水也透過氧化石墨烯堆疊層實現了同樣的技巧，即使這些堆疊層過濾掉了其他分子。
計算機模擬表明，水在石墨烯片之間形成了方形冰層。從一端推動冰會像高速列車中的車廂一樣，協同地向前推動所有分子。“但你永遠不會相信分子動力學模擬，”海姆說。因此有了最新的實驗。
冰與你相遇
海姆的團隊將一微升水滴到一張石墨烯片上，然後在上面放置第二張石墨烯晶片，所有操作都在室溫下進行。隨著水慢慢蒸發，石墨烯片被擠壓在一起，直到它們之間的距離小於一奈米，將水袋困在“三明治”中。
透射電子顯微鏡顯示，這些水袋中含有方形冰。英國哈維爾盧瑟福·阿普爾頓實驗室的物理學家艾倫·索珀（Alan Soper）說：“這並非完全出乎意料。”他撰寫了一篇新聞與評論文章，對這項發表在《自然》雜誌上的發現報告進行了評論。例如，當水聚集形成只有八個分子的小簇時，它會形成立方結構。“但它從未在如此擴充套件的層中被觀察到，”他說。
索珀認為，方形冰有資格成為一種新的冰晶相，加入了已經觀察到的其他17種冰晶相。
平面搜尋
方形冰與普通冰截然不同。在單個V形水分子（H2O）中，一個氧原子透過強鍵與兩個氫原子相連。但它也會與兩個相鄰水分子中的氫原子形成較弱的吸引力。在冰中，這四個鍵通常排列成四面體（金字塔）形狀。
但在方形冰層中，所有原子都位於一個平面上，每個氧-氫鍵之間成直角。海姆的方形冰片包含一、二或三層，相鄰層中的氧原子直接位於彼此之上。
該團隊計算出，石墨烯片必須施加超過10,000倍大氣壓的壓力才能以這種方式壓平水。“壓力如此之高令人驚訝，”海姆說。當石墨烯的碳原子足夠接近以至於相互扭曲對方的電子雲時，就會產生這種壓力。這會在相鄰石墨烯層中的碳原子之間產生一種相互吸引力，稱為範德華力。“這就像有數百萬個小彈簧將它們固定在一起，”索珀說。
海姆認為，方形冰可能會出現在其他狹小的空間中，例如奈米管內部。他補充說，確定其性質應有助於開發基於石墨烯的改進型海水淡化過濾器。“弄清楚水在毛細管中的行為方式是我們製造良好過濾器需要做的重要組成部分，”海姆說。“這是非常重要的一步。”
本文經許可轉載，並於2015年3月25日首次發表。