原位电镜揭示冰异质结晶中堆垛序演化动力学机制 | 进展

结冰是自然界中最常见的结晶现象之一。尽管地球表面的温度、压强等宏观热力学参量大体相近，但水汽在异质界面上形核生长所形成的雪花形貌却呈现出高度多样性与不可预测性。其原因在于水分子在熵–焓竞争驱动下所选择的组装路径存在多种可能性。揭示微观动力学路径决定的相空间形成机制，是理解冰晶形貌起源的关键科学问题。然而，结晶路径本质上具有瞬态性与局域性，要“打开”这一动力学黑箱，亟需具备高灵敏度与高时空分辨能力的先进表征手段，这也是当前晶体学与相变动力学前沿研究领域的共性挑战。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理实验室白雪冬课题组二十余年来持续推动原位透射电子显微技术的发展，近期,利用自主研发的原子分辨原位冷冻电镜技术，在约 102 K、高真空条件下，通过水蒸气在金属冷壁表面沉积成冰，首次直接追踪了冰晶从成核到生长的相选择与演化完整过程。

实验发现，多数冰晶并非直接形成热力学稳定的六方冰，而是首先生成半球形立方冰晶胚。随着晶体尺寸增加，冰晶沿立方冰等价密排 ⟨111⟩ 方向发生分叉，并在各分叉方向逐步演化为典型的棱柱状六方冰枝晶，其分叉角度与天然雪晶中常见的特征角（约 70.5°）高度一致。原子分辨成像进一步揭示，在立方冰核与六方冰枝晶之间普遍存在一段由立方与六方堆垛随机交错组成的堆垛无序冰层。该无序层作为动态过渡区，在保持外延取向关系的同时，实现了对称性破缺与晶体结构重构。

统计数据显示，当晶核生长方向偏离立方冰密堆轴时，可获得纯相、单晶立方冰，而不发生向六方冰的结构转变。这一发现表明，通过调控生长取向与界面条件，有望在更广泛的密排多晶型材料体系中实现亚稳高对称结构的可控捕获。

图：原子尺度揭示异质冰结晶生长的堆垛序演化动力学机制。

综上，该研究描绘了冰晶异质生长的动力学路径，系统阐明了异质界面效应、对称性破缺与取向外延在冰相演化中的协同作用机制，不仅为理解雪晶形貌形成提供了直接实验依据，也为多晶型密排材料的可控生长与结构设计提供了具有普适意义的物理图像。相关成果以“Kinetics of Stacking-Order Evolution during Heterogeneous Ice Formation 为题，发表于Physical Review Letters [136, 088001 (2026)]上。物理所博士后黄旭丹、北京大学博士袁梓峰为论文共同第一作者，物理所王立芬副研究员、白雪冬研究员，北京大学徐丽梅教授、王恩哥院士为论文通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会基金以及国家资助博士后研究人员计划的资助。

编辑：测不准的小阳