水的介面行為，仍然是蛋白質摺疊、摩擦和冰的形成等領域的中心問題。雖然水在介面上的性質，不同於在體狀上的性質，目前人類知識的差距，限制了人們在分子水平上的理解。關於水的微觀運動的資訊主要來自原子尺度上的計算，但很大程度上還沒有透過實驗探索。

在此，來自英國劍橋大學的Anton Tamtögl &Marco Sacchi等研究者，提供了一個詳細的水單體在石墨烯表面的行為。相關論文以題為“Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene”發表在Nature Communications上。

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冰，通常很容易在固體表面形成，為了理解為什麼會這樣，需要研究水-表面相互作用的分子基礎。水，在介面處的結構、動力學和化學性質，不同於普通水和冰。冰成核的早期階段，涉及非常小的時間和長度尺度，雖然冰成核和相變在宏觀上是很好理解的，但從地球大氣化學到宇宙塵埃顆粒的物理化學過程，揭示微觀細節是物理學面臨的重大挑戰之一。

正是水分子在表面的運動，控制了這些物理、化學、生物學以及各種工藝過程中的基本現象。潤溼、疏水和冰成核，在宏觀尺度上都得到了廣泛的研究，使用的是接觸角測量等常規方法。然而，更精確的測量，具有分子水平的細節，是非常少的，儘管事實是，透過利用人類目前在奈米尺度上調整表面的能力，這種理解可以為先進材料的設計提供機會。

從根本上說，用原子解析度來研究水是具有挑戰性的。利用成像技術很難獲得足夠的對比度和解析度，特別是為了解H原子的位置，從而瞭解分子的取向。以電子為基礎的技術，如低能電子衍射（LEED），從氫散射也很弱，並以水離解的形式呈現嚴重的損害風險。一些水的結構研究，在實驗上是可能的，但通常侷限於扁平的金屬表面或一些離子晶體，如NaCl。這些研究揭示了短程引力的作用。動態和低覆蓋率的測量，可以更普遍地檢查水相互作用的本質，但由於水的快速擴散速率和水單體的短壽命，而變得更加複雜。因此，洞察大多侷限於可能的數值模擬，往往沒有任何直接的實驗來支援它們。

在這裡，研究者報告了一個偶然的發現，在這個發現中，可以在Ni（111）支撐的石墨烯表面研究自由流動的水。利用氦自旋迴波（HeSE）光譜學，可以用皮秒時間尺度上的時間靈敏度來研究水分子的運動，而非常低能量的He原子完全排除了水分子損傷或離解的任何可能性。與預期相反，從相關測量中，研究者能夠建立起，強排斥相互作用存在於吸附水分子之間。這些力歸因於，由吸附幾何形狀引起的水重定向結構障礙，引起的偶極相互作用。這種排斥力，產生了一個動力學勢壘，可以抑制固態冰的成核，同時延長水單體的表面壽命 （ 125 K時≈ 3 s），同時使研究者的測量成為可能。

圖1 水單體在石墨烯上的擴散。

圖2 厚膜的脫溼和島嶼的形成。

圖3 亞單層的分子吸附。

圖4 石墨烯吸附水的溫度依賴性和理論結果。

圖5 擴散過程中斥力相互作用的證據。

綜上所述，該研究結果從分子的角度，分析了冰成核的動力學障礙，為理解和控制冰形成過程提供了途徑。該研究結果還提出了廣泛適用的策略，透過增強吸附過程中形成的偶極子，進一步抑制或控制冰成核過程。（文：水生）

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