超薄二维材料首现六角相态：固态与液态的神秘交融

当冰融化成水时，这一过程发生得很快，固态到液态的转变是瞬时的。然而，非常薄的材料并不遵循这些规则。相反，在固态和液态之间出现了一种不寻常的状态：六角相态。维也纳大学的研究人员现在成功地在一个原子级薄的晶体中直接观察到了这种奇异的相。

利用最先进的电子显微镜和神经网络，他们拍摄了一个被石墨烯保护的碘化银晶体融化的过程。超薄的二维材料使研究人员能够直接观察到原子级的融化过程。这些新发现显著加深了对这些相变的理解。令人惊讶的是，这些观察结果与之前的预测相矛盾——这一结果已在 Science 上 发表。

融化冰的突然转变是所有三维材料的典型融化行为，从金属和矿物到冷冻饮料。然而，当一种材料变得如此薄，几乎变成二维时，融化的规则会发生剧烈变化。在固态和液态之间，可以出现一种新的、奇异的中间相，称为“六角相”。

这种六角相态最早在1970年代被预测，是一种奇特的混合状态。该材料的行为类似于液体，粒子之间的距离不规则，但在某种程度上也像固体，因为粒子之间的角度相对有序。

由于这种相只在更大模型系统中观察到，例如密集堆积的聚苯乙烯球，因此尚不清楚它是否也会出现在日常的共价键合材料中。由维也纳大学领导的国际研究团队现在成功地证明了这一点。

科学家们首次在原子级薄的碘化银（AgI）晶体中观察到这一过程，从而解决了一个数十年的谜团。他们的发现不仅确认了这种难以捉摸的状态在强键合材料中的存在，还提供了关于二维熔化性质的意想不到的新发现。

在保护性“石墨烯三明治”中熔化原子的过程

为了实现这一突破，研究人员开发了一种有趣的方法，专门研究脆弱的原子级薄晶体的熔化过程。他们将一层碘化银封装在两片石墨烯之间，形成了一个保护性的“三明治”，既防止脆弱晶体自我折叠，又允许其自由熔化。研究小组使用一台配备加热支架的先进扫描透射电子显微镜（STEM），逐步将样品加热到超过1,100°C，并实时拍摄原子尺度的熔化过程。

维也纳大学的高级作者Kimmo Mustonen解释说：“如果没有使用人工智能工具，比如神经网络，追踪这些单个原子是不可能的。”在处理实验生成的数千张高分辨率图像之前，研究小组用大量模拟数据集对网络进行了训练。

他们的分析得出了一个显著的结果：在一个狭窄的温度范围内——大约低于AgI熔点25°C——出现了一个明显的六角相。补充的电子衍射测量证实了这一发现，并为这种原子级薄且强结合的材料中存在的中间状态提供了有力证据。

熔化物理学的新篇章

研究还揭示了一个意想不到的发现。根据之前的理论，从固体到六角相，以及从六角相到液体的转变应该是连续的。然而，研究人员观察到，虽然从固体到六角相的转变确实是连续的，但从六角相到液体的转变却是突发的，类似于冰融化成水。

维也纳大学和维也纳科技大学（TU Wien）的大卫·兰普雷希特（David Lamprecht）表示：“这表明，共价二维晶体的熔化比之前认为的要复杂得多。”他是这项研究的主要作者之一，另一位主要作者是来自维也纳大学的阮安（Thuy An Bui）。

这项研究的结果不仅加深了我们对二维熔化的理解，还突显了先进显微技术和人工智能在探索材料科学前沿的潜力。

更多详情： Thuy An Bui 等，共价二维碘化银的六角相，科学（2025）。 DOI: 10.1126/science.adv7915。 在arXiv网站上：DOI: 10.48550/arxiv.2501.05759