鋰電世界  科學(xué)家用兩片石墨烯將一滴水“壓扁”，形成了冰的又一種新結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)只有幾個(gè)原子厚，呈方形網(wǎng)格狀。

我們最熟悉的冰是六方結(jié)構(gòu)的（右圖），但在兩片石墨烯之間，冰會(huì)變成扁平的直角結(jié)構(gòu)（左圖）。

    科學(xué)家用兩片石墨烯將一滴水“壓扁”，形成了冰的又一種新結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)只有幾個(gè)原子厚，呈方形網(wǎng)格狀。

    這種“方形冰”的發(fā)現(xiàn)也體現(xiàn)了石墨烯這種二維平面材料的新用途。石墨烯不但有剛性、強(qiáng)韌且導(dǎo)電，它也能對(duì)兩層石墨烯之間的分子施加很強(qiáng)的壓力，這就是為什么水能在多層石墨烯間迅速滲透，這一性質(zhì)也能啟發(fā)我們用石墨烯來對(duì)水進(jìn)行脫鹽。

    石墨烯的發(fā)現(xiàn)者是英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈•海姆（Andre Geim），他也為此得到了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2012年他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)水蒸氣可以通過層壓的石墨烯氧化物，這一點(diǎn)甚至連氦原子都辦不到。2014年他們又發(fā)現(xiàn)不僅水蒸氣，液態(tài)水也能通過。計(jì)算機(jī)模擬顯示水在兩層石墨烯之間可以形成方形結(jié)構(gòu)，只要?jiǎng)右粍?dòng)這種“冰”的邊緣，所有的水分子都會(huì)一起向同一個(gè)方向倒去，就像高速運(yùn)動(dòng)的列車一樣。然而分子動(dòng)力學(xué)模擬畢竟算不上靠譜，因此他們就做了實(shí)驗(yàn)。

    海姆的研究小組將一毫升的水倒在一片石墨烯上，再將第二片石墨烯放在水上，所有這一切都在室溫下進(jìn)行。當(dāng)水慢慢蒸發(fā)時(shí)，兩層石墨烯逐漸緊貼在一起，距離不超過1納米，這種“三明治”結(jié)構(gòu)把水包在里面。

    透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy）顯示，被包裹在中間的水形成了方形結(jié)構(gòu)?！拔覀円膊皇峭耆珱]預(yù)料到這事，”來自英國(guó)盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家艾倫•索珀（Alan Soper）說，“但能在這么大一片層狀結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到方形冰，這可是從來沒有過的?！彼麋暾J(rèn)為這可以算作冰的新一種晶體相（phase，即有特定化學(xué)組成和物理狀態(tài)的物態(tài)），在這之前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了冰有17種相。

    方形冰與普通冰的結(jié)構(gòu)大不相同。在一個(gè)水分子（H2O）中，氫原子與氧原子之間由很強(qiáng)的化學(xué)鍵相連，但在相鄰的兩個(gè)分子之間，氫原子可以形成一種更弱的氫鍵。在普通的冰里，氫鍵通常會(huì)呈四面體形。

    但在方形冰中，所有的原子都在同一個(gè)平面內(nèi)，氫-氧鍵互成直角。海姆發(fā)現(xiàn)的方形冰碎片里既有一層冰平面的，也有兩層、三層冰平面的，相鄰層之間氧原子直接上下對(duì)齊。

    根據(jù)研究小組的計(jì)算，要讓冰形成這樣的結(jié)構(gòu)，至少需要1萬個(gè)大氣壓。“我們很驚訝壓力能達(dá)到這么高。”海姆說。這么高的壓力來自于雙層石墨烯彼此靠近時(shí)碳原子電子云的變形。相鄰層的碳原子在靠近時(shí)由于范德瓦爾斯力會(huì)互相吸引，索珀說“這就像千萬個(gè)小彈簧把兩層綁在一起一樣”。

    海姆認(rèn)為，這種方形冰也可能出現(xiàn)在其他緊密空間里，例如碳納米管的內(nèi)部。如果我們更仔細(xì)地研究這種現(xiàn)象，或許可以掌握用石墨烯作為“篩子”對(duì)水進(jìn)行脫鹽的奧秘。