西安交大科研人员在水环境低维受限条件下新物态和物性研究领域取得重要进展

水是地球表面最为普遍的环境物质之一，在微纳级别尺度上蕴含着丰富的物理新奇现象，相关物质结构的精密解析、规律机制的总结揭示、应用开拓的分析阐明对当前科研课题的纵深开展具有重要的学术和社会意义。

近年来，在水环境中低维系统或特定基底上发现具有独特物质晶体形态及新奇物化性质的低维物质相，如冰的四方相、六方相和具有异常价态的CaCl，不断地揭示自然界中未曾被注意到的基本物理机制。而探索和阐明受限空间和基底对水环境中离子自发成核与结晶的影响，为理解自然界中的水凝结（如雪花）、矿石形成（如宝石）和生物矿化（如硅藻）等复杂现象提供了重要启发和指导。作为最简单和最广泛研究的二元离子化合物之一，以NaCl为代表的碱卤化物通常被认为是被充分理解的,其中（100）晶面是块状立方体NaCl中能量最有利的表面，并被普遍认为是自然环境条件下水溶液中NaCl晶体的唯一形态。但是在过去的几十年里，许多理论研究表明碱卤化物在高压或低维状态下存在一种特殊的类石墨烯六方相，并可表现出奇特的物化性质。然而由于严重的技术挑战，这种新型六方相是否真实存在仍缺少相关的实验证据。此外，这种六方晶相形成的物理规则和这种晶相可能的物理特性也迫切需要通过实验揭示。

近日，西安交通大学物理学院张磊教授和张胜利教授课题组以冷冻透射电镜技术为基础，结合多种实验和理论分析方法，报道了环境条件下在水环境中还原氧化石墨烯（rGO）层间的准二维受限空间中由不饱和NaCl溶液自发形成的稳定类石墨烯六方相（h-NaCl），并实现了对这种六方相的近原子分辨率观察和原位表征。这是环境条件下类石墨烯六方NaCl相独立且稳定存在的首个实验证据。

在相同的实验参数下，科研人员同样观测到了在水环境中由不饱和LiCl溶液在rGO膜层间形成的类石墨烯六方相（h-LiCl），从而揭示了广泛存在于rGO层间的碱卤化物类石墨烯六方相的非经典成核途径，并讨论了这种新奇物相潜在的独特电子性质。结合对照实验、密度泛函理论（DFT）计算和以前的理论研究，溶质和rGO衬底之间的阳离子-π相互作用、阴阳离子之间的静电相互作用、溶质-溶剂相互作用和受限空间中热力学之间的微妙平衡协同导致了这种六方晶相的形成。这些发现阐明了基底和受限空间对新奇物质相形成的影响，并为碱卤化物类石墨烯六方相的制备提供了一个通用方案。

正如理查德 P.费曼（Richard P. Feynman）在他的经典演讲中所提到的那样：在底部有足够的空间（There’s plenty of room at the bottom）。探究在受限空间和特定基底影响下形成的新物质形态相，为基于表面工程自组装和自排序现象的新材料的设计和制造提供了新的见解。考虑到类似的密闭空间在自然界中普遍存在，该项研究结果为发现和设计具有新颖物化性质的新型功能材料提供了潜在途径。

2月9日，该研究相关成果以《自然环境条件下准二维受限空间中碱金属卤化物类石墨六方相》（Graphitic-like Hexagonal Phase of Alkali Halides in Quasi-Two-Dimensional Confined Space under Ambient Conditions）为题在线发表在期刊《美国化学会纳米》（ACS Nano）。西安交大物理学院博士研究生赵益民和张权为论文共同第一作者，张磊教授和张胜利教授为共同通讯作者。该项工作获得了国家自然科学基金等资助，相关表征和测试得到了西安交大分析测试共享中心软物质冷冻电镜等平台和大型设备的强力支撑。西安交大软凝聚态物理研究团队以物理学院张磊教授、张胜利教授为学术带头人，近三年来重点围绕水环境中微观物质体系的结构功能关键机理问题已连续在《细胞》（Cell）、《科学》（Science）、《国家科学评论》（National Science Review）、《自然通讯》（Nature Communications）等国际知名期刊发表成果30余篇。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c07424