研究人员通过将一滴水压平在两层石墨烯之间，创造了一种新型冰。它只有几个分子厚，其原子被锁定在一个正方形网格图案中。
“方形冰”的发现突显了石墨烯的另一个非凡特性，石墨烯由扁平的原子级薄碳片组成。石墨烯片不仅非常坚硬、强度高且导电，而且还能对夹在它们之间的分子施加巨大的压力。这可以解释为什么水能非常快速地渗过石墨烯堆叠层——这一特性表明该材料可用于海水淡化膜以净化水。
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早在2012年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆（Andre Geim）领导的团队（他因分离和研究石墨烯而分享了2010年诺贝尔物理学奖）发现，水蒸气可以穿过氧化石墨烯层压片，这是连氦气都无法做到的。两年后，他们表明液态水也通过氧化石墨烯堆叠层实现了同样的技巧，即使这些堆叠层过滤掉了其他分子。
计算机模拟表明，水在石墨烯片之间形成了方形冰层。从一端推动冰会像高速列车中的车厢一样，协同地向前推动所有分子。“但你永远不会相信分子动力学模拟，”海姆说。因此有了最新的实验。
冰与你相遇
海姆的团队将一微升水滴到一张石墨烯片上，然后在上面放置第二张石墨烯晶片，所有操作都在室温下进行。随着水慢慢蒸发，石墨烯片被挤压在一起，直到它们之间的距离小于一纳米，将水袋困在“三明治”中。
透射电子显微镜显示，这些水袋中含有方形冰。英国哈维尔卢瑟福·阿普尔顿实验室的物理学家艾伦·索珀（Alan Soper）说：“这并非完全出乎意料。”他撰写了一篇新闻与评论文章，对这项发表在《自然》杂志上的发现报告进行了评论。例如，当水聚集形成只有八个分子的小簇时，它会形成立方结构。“但它从未在如此扩展的层中被观察到，”他说。
索珀认为，方形冰有资格成为一种新的冰晶相，加入了已经观察到的其他17种冰晶相。
平面搜寻
方形冰与普通冰截然不同。在单个V形水分子（H2O）中，一个氧原子通过强键与两个氢原子相连。但它也会与两个相邻水分子中的氢原子形成较弱的吸引力。在冰中，这四个键通常排列成四面体（金字塔）形状。
但在方形冰层中，所有原子都位于一个平面上，每个氧-氢键之间成直角。海姆的方形冰片包含一、二或三层，相邻层中的氧原子直接位于彼此之上。
该团队计算出，石墨烯片必须施加超过10,000倍大气压的压力才能以这种方式压平水。“压力如此之高令人惊讶，”海姆说。当石墨烯的碳原子足够接近以至于相互扭曲对方的电子云时，就会产生这种压力。这会在相邻石墨烯层中的碳原子之间产生一种相互吸引力，称为范德华力。“这就像有数百万个小弹簧将它们固定在一起，”索珀说。
海姆认为，方形冰可能会出现在其他狭小的空间中，例如纳米管内部。他补充说，确定其性质应有助于开发基于石墨烯的改进型海水淡化过滤器。“弄清楚水在毛细管中的行为方式是我们制造良好过滤器需要做的重要组成部分，”海姆说。“这是非常重要的一步。”
本文经许可转载，并于2015年3月25日首次发表。