水的介面行為，仍然是蛋白質折疊、摩擦和冰的形成等領域的中心問題。雖然水在介面上的性質，不同於在體狀上的性質，現時人類知識的差距，限制了人們在分子水准上的理解。關於水的微觀運動的資訊主要來自原子尺度上的計算，但很大程度上還沒有通過實驗探索。
在此，來自英國劍橋大學的Anton Tamtögl &Marco Sacchi等研究者，提供了一個詳細的水單體在石墨烯表面的行為。相關論文以題為“Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene”發表在Nature Communications上。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23226-5
冰，通常很容易在固體表面形成，為了理解為什麼會這樣，需要研究水-表面相互作用的分子基礎。水，在介面處的結構、動力學和化學性質，不同於普通水和冰。冰成核的早期階段，涉及非常小的時間和長度尺度，雖然冰成核和相變在宏觀上是很好理解的，但從地球大氣化學到宇宙塵埃顆粒的物理化學過程，揭示微觀細節是物理學面臨的重大挑戰之一。
正是水分子在表面的運動，控制了這些物理、化學、生物學以及各種工藝過程中的基本現象。潤濕、疏水和冰成核，在宏觀尺度上都得到了廣泛的研究，使用的是接觸角量測等常規方法。然而，更精確的量測，具有分子水准的細節，是非常少的，儘管事實是，通過利用人類現時在納米尺度上調整表面的能力，這種理解可以為先進資料的設計提供機會。
從根本上說，用原子分辯率來研究水是具有挑戰性的。利用成像科技很難獲得足够的對比度和分辯率，特別是為了解H原子的位置，從而瞭解分子的取向。以電子為基礎的科技，如低能電子繞射（LEED），從氫散射也很弱，並以水離解的形式呈現嚴重的損害風險。一些水的結構研究，在實驗上是可能的，但通常局限於扁平的金屬表面或一些離子晶體，如NaCl。這些研究揭示了短程引力的作用。動態和低覆蓋率的量測，可以更普遍地檢查水相互作用的本質，但由於水的快速擴散速率和水單體的短壽命，而變得更加複雜。囙此，洞察大多局限於可能的數值模擬，往往沒有任何直接的實驗來支持它們。
在這裡，研究者報告了一個偶然的發現，在這個發現中，可以在Ni（111）支撐的石墨烯表面研究自由流動的水。利用氦自旋回波（HeSE）光譜學，可以用皮秒時間尺度上的時間靈敏度來研究水分子的運動，而非常低能量的He原子完全排除了水分子損傷或離解的任何可能性。與預期相反，從相關量測中，研究者能够建立起，强排斥相互作用存在於吸附水分子之間。這些力歸因於，由吸附幾何形狀引起的水重定向結構障礙，引起的偶極相互作用。這種排斥力，產生了一個動力學勢壘，可以抑制固態冰的成核，同時延長水單體的表面壽命（ 125 K時≈ 3 s），同時使研究者的量測成為可能。
圖1水單體在石墨烯上的擴散。
圖2厚膜的脫濕和島嶼的形成。
圖3亞單層的分子吸附。
圖4石墨烯吸附水的溫度依賴性和理論結果。
圖5擴散過程中斥力相互作用的證據。
綜上所述，該研究結果從分子的角度，分析了冰成核的動力學障礙，為理解和控制冰形成過程提供了途徑。該研究結果還提出了廣泛適用的策略，通過增强吸附過程中形成的偶極子，進一步抑制或控制冰成核過程。
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