2023年3月，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心白雪冬研究员、王立芬副研究员团队，发展原位冷冻气相沉积透射电镜技术，结合原子分辨像差校正电镜技术和低剂量电子束成像技术，成功实现了在分子尺度上观测冰的形核生长过程；发现纯相单晶立方冰在低温衬底表面独立于六角冰的优先形核生长，并展示了立方冰晶中存在两种不同的缺陷结构，以直观的实验证据确认了低温气相沉积过程中单晶立方冰的形成过程，澄清了水结晶能否形成纯相单晶立方冰的这一争议。

　　该工作以“Tracking cubic ice at molecular resolution”为题在Nature上于2023年3月29日在线发表，中科院物理所王立芬副研究员为文章共同第一作者（2/3）和通讯作者，中科院物理所博士生黄旭丹 (1/3) 和北京大学博士生刘科阳 (3/3) 同为第一作者，北京大学陈基研究员、王恩哥院士和中科院物理所白雪冬研究员为文章共同通讯作者。

　　近日，《高科技与产业化》杂志专访了王立芬副研究员，请她谈谈这个关于雪花的故事。这是一位对自己的研究领域满怀赤子之心的优秀女性，满怀着对物理的好奇与热爱，她将继续追逐晶莹的雪花，去探索那些“冰的无人区”。

　　《高科技与产业化》：请您介绍一下此次重要研究进展和成果的相关情况。

　　王立芬：此次我们采用了比较特殊的透射电子显微镜，它对物质结构的分辨能力可以达到亚埃级（比纳米还小）的分辨率。

　　冰在自然界中随处可见，在天气好的情况下，人们可以看见在太阳周围笼罩着一个或以上的彩色光环，这是阳光透过卷层云时，受到冰晶的折射或反射带来的一种光学现象。由于六角冰通常以冰六棱柱的基面和柱面作为截止面，而日晕的视角为22度和46度，但在极其罕见的时候，人们可以观察到28度左右的日晕。这种日晕被称为Scheiner’s halo，具体形成机制还存在争议。

　　有一种说法认为，这时高空中温度较低，卷层云中的冰晶并不是通常的六角冰结构，而是一种类似于金刚石的面心立方结构，这种立方冰会呈现出正八面体的晶体形貌，阳光被这种冰晶折射后就会在28度形成日晕。换言之，自然界中的雪花也许并不总是“六出”，它也有可能长成钻石的模样。

　　后来人们逐渐发现，在实验室中无论通过什么方法制备出的立方冰，其衍射峰总是偏离理想的面心立方的衍射特征，说明其并不是纯相的立方冰。严格地说，也许自然界并不存在所谓的“立方冰”，它可能只是密堆面上立方冰与六角冰随机堆垛的一种特殊结构。由于缺乏更进一步的表征手段，这种争议一直持续着。

　　此次我们通过发展原位冷冻电镜，借助像差矫正透射电子显微镜和低剂量电子束成像技术，成功实现了以分子级分辨率观测冰的生长结晶过程，并原位表征结构的演化。这实际上是解决了冰研究领域一个长期未解决的争议。

　　《高科技与产业化》：此次采用的原位透射电镜技术把整个冰的实验研究提升到了分子水平，请问这有何重要意义？

　　王立芬：之前其实也有很多实验物理学家用扫描隧道显微镜用表面探测的技术去观察，他们观察到了很多表面的二维冰的现象，但是对于三维探测还是很少的。而且用设备去观察自然产生的晶体，这对实验探测技术的挑战是比较大的，所以现在透射电镜可以去看这些自然产生的雪花，本身就是一个比较大的突破。

　　《高科技与产业化》：由于生长过程中常伴随缺陷，传统的衍射手段无法将立方冰与堆垛无序冰区分开来，因此具有高空间分辨率、低损伤的水结冰实时显微成像技术具有十分重要的意义。完成这项研究需要采取什么领先或特殊的计算方 法/实验手段？

　　王立芬：能完成这项研究，得益于我们用了低剂量成像的原位冷冻透射电镜技术。这项技术本身并不新颖，在很多生物领域已经有大量的应用。比较特殊的一点是我们的原位冷冻杆是在电镜镜筒中降温，使样品台上的如单层石墨烯等衬底逐渐从室温降温到-170°左右。这样，真空中残存的水蒸气可以慢慢凝结到衬底上结冰，这时候通过无损伤、低剂量的电子束对冰的结晶过程进行分子分辨的实时捕捉成像，就可以直观观察冰的晶体结构、生长方式、常见缺陷和缺陷行为。

　　《高科技与产业化》：此次研究显示，结构的稳定性验证了立方冰在水结冰过程中具有相当大的竞争力。在结冰过程中，这种稳定性具体拥有哪些优势？

　　王立芬：通过透射电镜技术的无损探测让我们看到了结冰在非常初期的状态，从而能够看出它的稳定性。我们注意到，无论在生长过程中还是电子束激发下，立方冰在观测时间内都保持着相当的稳定性，而未发生向六角冰转变的迹象，这种结构的稳定性验证了立方冰在水结冰过程中具有相当大的竞争力，因此可能在该过程中扮演着至关重要的角色。

　　《高科技与产业化》：雪花是日常生活中很常见的自然现象。我们从小到大看到天上飘雪花都会很开心。可是大多数人其实都没有意识到，原来科学界对雪花的研究其实并没有我们认为的那么深入。请问您为何会将立方冰的研究作为自己的重要研究方向？

　　王立芬：研究立方冰其实是在好奇心驱动下的一个偶然发现。我从科学启蒙时期进入中科院物理所王恩哥院士团队，2008 年开始听师兄师姐讲述了一些关于水的很有意思的科学问题。当时由于实验条件有限，对水的研究基本上是理论快于实验研究，而我对水实验研究的萌芽，受益于团队熏陶。

　　开展实验的契机是我在泛读文献的过程中，发现有关水的实验可以用一种特殊的石墨烯纳米囊泡的方法来做。我就迅速找到王老师组做材料的师兄，寻求关于石墨烯领域的帮助和合作。受到最新实验技术进展的启发，我开始尝试把微量的水包裹在两片单层的石墨烯中间，再把这种包裹了水的石墨烯纳米囊泡放到透射电镜的样品杆上，开始去摸索关于水的一些微观行为显微观测。

　　《高科技与产业化》：您在研究过程中遇到的最大困难是什么？又是如何克服的？

　　王立芬：我倒并没有感觉到多少挫折。实验科学探测是并不常有人走的一条路，因此走的时候就会发现一些有趣的现象，我对此感到乐在其中。比如在用两片单层石墨烯包裹水的实验过程中，即使用的是超净间里净化过的水，里边总是会有微量的杂质，像食盐或者样品杆上的微颗粒会被包裹到石墨烯囊泡中。对于用来实验观察的原子分辨透射电镜来说，非常微量的材料都会变得很宏量。在观察这些杂质时，我们发现它们的结晶行为与在相对开放环境中的结晶行为很不一样。

　　随后我们继续观察纳米囊泡中的水，因为水在电子束下很容易电离分解，在纳米囊泡中生成很多小气泡，不利于透射电镜观察。我们就通过设计冷冻杆，把石墨烯纳米囊泡整个冷冻起来。结果发现冷冻的过程中，石墨烯内外都在结冰，分不清观察的样品到底是里边还是外边的晶体。于是我们暂时抛开纳米囊泡，先看看冷冻表面沉积的是什么冰晶，打算排除掉表面的冰晶后再去看囊泡里边的水结构。就这样，我们观察到电镜镜筒中残存的水蒸气在单层石墨烯表面冷凝成冰，发现获得的冰大多是一种单晶相的、具有金刚石立方结构的冰晶。

　　在之前的实验中，没有用透射电镜成像来观察冰生长的先例，原因在于高能电子束极其容易破坏掉冰结构。我们在实验条件的摸索过程中，主要是摸索低电子束剂量的成像条件，以及实现结冰过程的超高分辨观察——这两项都很有难度。对于电子束剂量问题，我们通过商业化的低剂量相机解决掉了这个问题。原位观察的主要问题来自冷冻样品台的漂移和机械振动，这一冷冻条件摸索实验也得到了很多所内电镜专业老师的帮助，最终通过冷冻样品台的机械加固，解决了漂移和振动的问题。整个过程挺有意思的，谈不上挫折，其实就是不断地在钻研中发现新的东西。

　　《高科技与产业化》：关于冰领域还有着很多的未解之谜，未来您和团队还将进一步在该领域开展哪些研究？

　　王立芬：我们团队还准备在这块继续一步一步往下进行研究。现在只发现了一点点，实际上冰领域里边还有很多没有被探索过的“冰的无人区”。比如将很干净、很纯的水放在冰箱里，或者放到零下40摄氏度时它都是一个水的状态，但只要稍微晃它一下，它就迅速地结冰了。这种过冷态和结晶态之间是怎么跨越的？我们并不清楚；很简单的一瓶水，在不同环境下的组装非常复杂，它的结构相图几乎是所有元素里面最复杂的相图 , 光看清楚这个相图可能就值得一个科研人员做一辈子。

　　我们研究雪花或者研究水有什么用呢？因为我们不了解。但我了解以后就发现，它能不断地引领人类去认知周围的世界。人们天天喝水但不知道其中的结构，这对人们的生活一点影响都没有，但如果我们尝试迈出第一步开始理解它，那么第二步就可以去利用它。

　　地球环境的冰研究也存在大片无人区，地球环境中水的过冷态以及冰的形核微观机制至今依然难以全面理解，深入认识和理解冰的微观世界依然前路漫漫。我们平时喝的水、河流里的水、冰川中的水都见证着地球的历史环境，也蕴含着地球环境的演变过程；在恒星体系里也有大量的水和冰存在，可以通过了解它的气温气压等常见物理量，判断这里的环境是否适宜人类居住，有助于探测外星文明、感知外星环境。

　　还有一个相关的大方向就是生物冷冻，这与我们平时熟悉的冰淇淋生产关系密切。工业界很关注雪花，生产冰淇淋就是通过控制雪花的颗粒度来控制口感，有的冰淇淋会绵密一些，有的会感觉渣多一些。实际上，最主要的点就在于雪花的分布和雪花的整体形貌状态。对于这些关乎多个学科领域的水科学研究还仍然处于低速发展阶段，有待于未来更多、更进一步的全面探索。

　　《高科技与产业化》：研究成果出来后，您的团队是第一时间选择投给Nature吗？论文在投审稿过程中遇到了什么让您记忆深刻的事情？相比其他投稿经历，对Nature的出版流程、同行评议、质量控制等环节有什么看法？

　　王立芬：论文的投稿过程其实是水到渠成的。最初摸索出较好的实验参数后，我第一时间向中科院物理所、北京大学的合作团队进行了汇报。各位合作者都给予了详细扎实的指导和建议。我清楚地记得当时王恩哥老师说“立方冰的实空间数据这么清楚、确凿，没有哪个杂志会不喜欢的”。

　　经过了一轮审稿、修改后，文章就被接收了。比较印象深刻的是有位审稿人收到修改后说“我怎么还收到了修改稿？这篇稿件应该尽快发表”。审稿人的这句话也是这篇文章后来能提前在线发表的最大助力。还有一位审稿人非常细致地对我们的工作进行了评价和指导，他特别强调由于这篇文章对各个研究领域都具有潜在重要影响，不应只发表在某个专业杂志上，就应该发表在Nature这种涵盖多个学科领域的 杂志。

　　在整个审稿过程中，审稿人的关注角度也让我们了解到他们也曾经参与过有关立方冰的议，而且他们分别基于不同实验、理论研究手段 提出过不同的理解和模型。他们坦诚而严谨地对待我们的研究结果，并给出了非常好的指导和建议，充分体现了科学大家的风范和气度，非常值得我们学习。

　　个人简介

　　王立芬：2014年在中科院物理所获得博士学位，2014-2018年在美国阿贡国家实验室从事博士后研究；2018年9月以副研究员身份加入物理所。主要研究方向：通过发展透射电子显微学方法探索微观物理机制。