（a）氦自旋回波法示意图；（b）移相率与动量传递的关系；（c）Ni（111）衬底（绿色）上，石墨烯晶格（灰色球）的结构模型。
众所周知，水在接触到低温表面时会结冰，但是结冰的确切过程及微观细节至今仍然成谜。奥地利格拉茨技术大学实验物理研究所研究人员Anton Tamt?gl说:“水形成冰的第一步是‘成核’过程，它发生在极短时间内，不到十亿分之一秒。可移动性极高的单个水分子找到‘合适的伙伴’后，就结合在一起了。”传统显微镜过慢，根本无法跟踪水分子的运动，因此也难以用于“观察”分子在固体表面上的结合过程。
在一项新实验技术和计算模拟的帮助下，Tamt?gl与英国剑桥大学和萨里大学的研究人员成功追踪了石墨烯表面形成冰的成核过程。在实验中，他们观察到了奇特的水分子互斥现象。只有获得足够能量来克服这种排斥作用，水才能形成冰。换句话说，在结冰之前，水必须变热。Tamt?gl说：“此前，研究人员没有考虑成核过程中水分子间的斥力。新研究将改变这一切。”
研究人员利用氦自旋回波法（HeSE）发现了新现象。HeSE由剑桥卡文迪许实验室开发，是一种专门用于跟踪原子和分子运动的技术。仪器从表面移动的分子中散射氦，研究人员通过记录氦的数量和散射后的能量/速率，便能跟踪原子核分子运动。实验结果表明，石墨烯表面水分子的互斥力源自分子垂直于表面的相同排列。这与同极磁铁的相互排斥现象非常相似。为了驱动成核过程，其中一个水分子必须重新定向，而这需要额外的能量。
通过计算模拟，研究人员绘制了不同构型水分子的精确能量图，并计算了相邻分子之间的相互作用。模拟结果证实了他们的猜测。实验和理论的结合使Tamt?gl团队更精确地了解了水分子行为。这是他们第一次准确捕捉到成核过程的演变情况，他们也据此提出了一种新的物理机制。
Tamt?gl等人指出，新观察到的效应也可能存在于其他表面。“新发现为控制或防止结冰提供了新思路。风力发电、航空或电信设备的表面处理工艺将因此受益匪浅。了解冰形成时的微观过程，对于预测冰川、冰盖的形成和消融也非常重要。”Tamt?gl说。
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
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https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210527112439.htm
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