石墨烯把冰壓成平面正方結構

    鋰電世界  科學家用兩片石墨烯將一滴水“壓扁”，形成了冰的又一種新結構：這種結構只有幾個原子厚，呈方形網格狀。

我們最熟悉的冰是六方結構的（右圖），但在兩片石墨烯之間，冰會變成扁平的直角結構（左圖）。

    科學家用兩片石墨烯將一滴水“壓扁”，形成了冰的又一種新結構：這種結構只有幾個原子厚，呈方形網格狀。

    這種“方形冰”的發現也體現了石墨烯這種二維平面材料的新用途。石墨烯不但有剛性、強韌且導電，它也能對兩層石墨烯之間的分子施加很強的壓力，這就是為什么水能在多層石墨烯間迅速滲透，這一性質也能啟發我們用石墨烯來對水進行脫鹽。

    石墨烯的發現者是英國曼徹斯特大學的安德烈•海姆（Andre Geim），他也為此得到了2010年的諾貝爾物理學獎。2012年他領導的研究小組發現水蒸氣可以通過層壓的石墨烯氧化物，這一點甚至連氦原子都辦不到。2014年他們又發現不僅水蒸氣，液態水也能通過。計算機模擬顯示水在兩層石墨烯之間可以形成方形結構，只要動一動這種“冰”的邊緣，所有的水分子都會一起向同一個方向倒去，就像高速運動的列車一樣。然而分子動力學模擬畢竟算不上靠譜，因此他們就做了實驗。

    海姆的研究小組將一毫升的水倒在一片石墨烯上，再將第二片石墨烯放在水上，所有這一切都在室溫下進行。當水慢慢蒸發時，兩層石墨烯逐漸緊貼在一起，距離不超過1納米，這種“三明治”結構把水包在里面。

    透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy）顯示，被包裹在中間的水形成了方形結構。“我們也不是完全沒預料到這事，”來自英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室的物理學家艾倫•索珀（Alan Soper）說，“但能在這么大一片層狀結構中觀測到方形冰，這可是從來沒有過的。”索珀認為這可以算作冰的新一種晶體相（phase，即有特定化學組成和物理狀態的物態），在這之前科學家已經發現了冰有17種相。

    方形冰與普通冰的結構大不相同。在一個水分子（H2O）中，氫原子與氧原子之間由很強的化學鍵相連，但在相鄰的兩個分子之間，氫原子可以形成一種更弱的氫鍵。在普通的冰里，氫鍵通常會呈四面體形。

    但在方形冰中，所有的原子都在同一個平面內，氫-氧鍵互成直角。海姆發現的方形冰碎片里既有一層冰平面的，也有兩層、三層冰平面的，相鄰層之間氧原子直接上下對齊。

    根據研究小組的計算，要讓冰形成這樣的結構，至少需要1萬個大氣壓。“我們很驚訝壓力能達到這么高。”海姆說。這么高的壓力來自于雙層石墨烯彼此靠近時碳原子電子云的變形。相鄰層的碳原子在靠近時由于范德瓦爾斯力會互相吸引，索珀說“這就像千萬個小彈簧把兩層綁在一起一樣”。

    海姆認為，這種方形冰也可能出現在其他緊密空間里，例如碳納米管的內部。如果我們更仔細地研究這種現象，或許可以掌握用石墨烯作為“篩子”對水進行脫鹽的奧秘。