《Science》重磅：捕捉二维晶体的奇异中间态

低维体系中的相变问题是凝聚态物理中的一个基础性课题。与三维材料相比，二维材料由于热涨落显著增强、配位数降低，表现出本质上不同的热力学与结构行为。降维最深刻的影响之一体现在熔化过程上：三维固体通常通过一级相变直接转变为液体，而理论研究长期预测二维晶体的熔化可能经历一个称为六角相(hexatic phase)的中间态。

然而，六角相的实验观测长期局限于软物质体系或弱相互作用的准二维系统。发表在《科学》题为 《Hexatic phase in covalent two-dimensional silver iodide》 的最新研究首次在强键合、共价特征明显的原子级二维晶体中直接观测到六角相，构成了该领域的重要突破。这一成果不仅验证了长期存在的理论预言，也显著拓展了人们对真实二维材料中相变机制的理解。

1. 理论背景：二维熔化的“两步走”预言

在传统的三维物理学中，冰变成水通常是“一阶相变”：一旦达到熔点，物质会直接从有序的固体跃迁到无序的液体。然而，在原子级薄的二维世界中，物理规律发生了变化。

1970 年代，物理学家 Kosterlitz、Thouless、Halperin、Nelson 和 Young 提出了著名的 KTHNY 理论。该理论预言，二维晶体的熔化不是一步到位的，而是分两个连续阶段完成的：

1. 固体→六角相：晶体由于拓扑缺陷（位错偶极子）的解绑，失去了平移序（原子不再处于规则的网格点上），但仍保留取向序（原子的排列方向依然一致）。
2. 六角相→液体：进一步加热导致旋转对称性也被打破，物质彻底变为各项同性的液体。

尽管这一理论在胶体颗粒、磁性球体等宏观模型中得到了部分证实，但在具有强共价键结合的真实原子晶体中，六角相是否真实存在一直是物理学界争论不休的悬案。

2. 实验突破：石墨烯“三明治”与 AI 追踪

研究团队面临的最大挑战是二维晶体在高温下的极度不稳定。单层碘化银（AgI）在接近熔点时极易挥发或塌缩。

纳米封装技术

为了解决这一难题，研究者开发了一种石墨烯封装技术。他们将单层AgI夹在两层石墨烯之间，形成一个“纳米三明治”。

• 物理约束：石墨烯不仅能防止AgI挥发，还能提供微小的空间压力，稳定其结构。
• 透明观测：石墨烯对电子束几乎透明，允许研究人员使用扫描透射电子显微镜（STEM）以原子级分辨率观察内部AgI的运动。

AI 辅助的原子识别

实验在超过1100℃的极高温度下进行。在这种高温下，原子运动极快，产生的图像噪声巨大。研究团队利用训练好的卷积神经网络（CNN），从成千上万帧显微镜图像中实时定位每一个Ag和I原子的坐标，从而精确计算出其空间相关函数。

3. 核心发现：捕捉“混乱中的秩序”

通过分析原子位置，研究团队在AgI完全熔化前约25℃的极窄温度区间内，成功捕捉到了六角相的特征。

六角相的证据

研究人员通过数学工具证明了该相的存在：

• 平移序的丢失：径向分布函数g(r)显示原子间距变得随机，像液体一样失去了长程的格子排列。
• 取向序的保留： 六角取向相关函数g₆(r)依然呈现出缓慢的代数衰减。这意味着，虽然原子在乱动，但如果你看它们相互之间的连线，这些连线的角度依然倾向于指向特定的六个方向。

“混合熔化”机制

该论文最令人惊讶的发现是，真实的二维熔化并不完全符合理想的 KTHNY 模型。实验显示：

• 第一步（固体到六角相）是连续的，符合理论。
• 第二步（六角相到液体）却是突发的一阶相变，类似于宏观冰的熔化。这种“混合”机制打破了过去认为二维熔化必须是全连续过程的固有认知。

4. 科学意义与未来应用

该项研究不仅是基础物理学的一大进展，也为材料科学带来了新的视角：

• 证实了KTHNY理论的普适性：证明了拓扑缺陷在决定物质状态中的核心作用，无论是在宏观胶体还是微观原子尺度。
• 极端环境下的稳定性：AgI在石墨烯保护下表现出的超高熔点（远高于散装AgI的660℃），为设计耐高温纳米器件提供了新思路。
• 二维电子学的挑战：理解了二维材料在受热时的相位演变，有助于我们预测未来高性能二维芯片在负载过热时的结构稳定性。

总结

这项工作将先进的纳米加工、原位电镜观察与人工智能分析相结合，终于让物理学家能够“亲眼看到”那个介于坚硬与流动之间的奇异相位。它告诉我们，二维世界的秩序比我们想象的更加微妙且坚韧。