物质的晶化是自然界中普遍存在的现象，在大气科学、生物物理和材料科学等多个领域都具有重要的作用。例如，生物细胞中的结冰现象会影响细胞的活性和功能，蛋白质的结晶广泛应用于生物制药和疾病治疗，空调系统中的霜冻现象则影响着机械设备的能耗和性能。因此，晶化一直是人类探索自然界的一个重要课题。
大多数自然界中的结晶过程都是在具有表面环境的异质成核条件下发生的，揭示这些微观机制对于实现对晶化过程的调控具有关键意义。传统的经典成核理论（CNT）主要基于界面自由能和润湿角（接触角）等宏观热力学参数，试图描述晶核的生成概率。然而，这一理论难以充分反映分子尺度上液体与固体的相互作用以及液体的结构有序性。因此，在实际情况中，成核行为有时会与CNT的预测产生显著偏差。
为此，北京师范大学物理与科学学院的孙刚教授与东京大学的田中肇教授合作，采用分子动力学模拟技术，在原子尺度上准确还原了液态水的行为，并追踪了界面液体结晶的早期过程。通过调控界面结构和亲疏水性，他们在更广泛的参数空间中深入挖掘了界面异质成核的机制。研究发现，随着界面亲水性的增强，界面液体的结构从三维转变为二维。在这种结构转变过程中，界面液体的维度在晶核形成中起到了关键作用，决定了不同的结晶模式：当界面水呈三维结构时，晶核以双层冰（bilayer）形式出现；而当界面水为二维结构时，晶体则呈现逐层生长的“layer by layer”模式（见图1）。
图1. 界面液体的维度与结晶模式之间的关系。
此外，研究还发现，界面液体的结晶过程并不一定是传统理解中的一步成核（one-step nucleation），而可能是一种非经典的多步成核（multiple-step nucleation）过程。当界面具有较强的亲水性时，界面水分子主要以五元环结构为主，在外势场的诱导下逐步实现自发的有序化。具体而言，水分子首先形成一个六元环结构，随后相互参与，形成两个六元环，最终完成有序排列，形成三个六元的二维冰晶（详见图2）。这种多步结晶过程与界面结构没有直接关联，本质上是一种不同于传统“冰-界面相似性”范式的全新机制。
图2. 展示了界面水在形成二维冰过程中的结构演化。其中，蓝色、黄色、橘色和红色分别代表水分子在不同的结构状态：不参与六元环结构、参与一个六元环、参与两个六元环，以及参与三个六元环。
该研究揭示了传统热力学与统计物理理论中被忽视的液体结构维度效应在相变过程中的关键作用，阐明了异质成核过程中液体结构维度信息与晶体成型模式之间的物理联系，为热力学相变理论的发展注入了新动力。这一界面调控成核的机制不仅具有理论意义，还可能适用于硅、锗、锡、硫酸根离子液体等多种体系，与半导体技术、光纤通信、电子工业及能源存储等多个前沿领域密切相关。
此外，该研究通过对分子尺度力学和结构的深入分析，也为当前备受关注的利用机器学习进行表面材料设计提供了有价值的基础。展望未来，这项研究的核心意义在于证明了通过界面精准调控晶体材料的可能性，为实现冷冻保存、复杂药物的高效生产，以及高性能光电材料的设计与制造提供了切实可行的技术路径。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
The secret role of water's structure near surfaces in ice formation
Gang Sun and Hajime Tanaka
J. Colloid Interface Sci., 2025, DOI: 10.1016/j.jcis.2025.137812
导师介绍
孙刚
https://www.x-mol.com/university/faculty/364751
