金屬界面水主導著廣泛的物理化學現象。界面結構的形成，源于水—水氫鍵作用與水—基底相互作用的微妙平衡。對界面水特別是其結構多樣性與動態(tài)行為的微觀理解，對電催化、納米流體及大氣化學等領域具有重要意義。已有研究發(fā)現，親水性金屬襯底表面可以形成有序的二維冰晶體，其強水—襯底相互作用能夠穩(wěn)定氫鍵網絡。相比之下，疏水性金屬襯底由于吸附能較弱，水傾向于形成三維冰微晶、非晶薄膜或其他亞穩(wěn)態(tài)聚集體。但是，Au(111)表面可穩(wěn)定存在互鎖雙層冰結構，即通過完全氫鍵網絡連接的兩個平面六角冰層。相較之下，單層冰因氫鍵形成能力受限，被認為無法在疏水性金屬表面穩(wěn)定存在。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心等，利用此前發(fā)展的低能電子輔助合成技術，在疏水性襯底Au(111) 表面合成了單層冰。

研究團隊通過向Au(111)表面的雙層互鎖冰結構注入低能電子，誘導其相變?yōu)橛赏暾肿訕嫵傻男滦蛦螌颖Y構。團隊結合原位低能電子衍射、角分辨光電子能譜、X射線光電子能譜及第一性原理計算，研究了該冰相的原子結構、電子特性與穩(wěn)定性。團隊發(fā)現，與Ag襯底不同，水分子在Au表面受到低能電子照射時不會脫氫，而是傾向于部分脫附，從而形成亞穩(wěn)態(tài)的單層冰。理論計算表明，該單層冰中的氫原子可能存在兩個能量相近的取向，且兩種取向之間的切換可能存在質子隧穿現象。

上述發(fā)現拓展了界面冰的相圖，為探索二維輕元素體系中的量子物性提供了新平臺。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目等的支持。