摘要：冰的结晶是大气过程、交通安全、生物医学冷冻保存及食品工业等众多领域的核心过程，其中由液态水结晶形成的六方冰（Ice Ih）在自然界中最常见。然而，由于冰的氢键网络脆弱，其在分子尺度上极易变形，且在高分辨率成像所需的苛刻条件下难以制备和保存稳定的样品，使得科学家
首次实现液态水结晶冰的分子分辨率成像
冰的结晶是大气过程、交通安全、生物医学冷冻保存及食品工业等众多领域的核心过程，其中由液态水结晶形成的六方冰（Ice Ih）在自然界中最常见。然而，由于冰的氢键网络脆弱，其在分子尺度上极易变形，且在高分辨率成像所需的苛刻条件下难以制备和保存稳定的样品，使得科学家们一直未能获得由液态水结晶形成的冰其纳米级缺陷或微观结构的分子分辨率图像。以往的研究多依赖于计算机模拟或宏观尺度的谱学与衍射技术，而真实空间的分子尺度成像面临巨大挑战。
近日，美国太平洋西北国家实验室James J. De Yoreo课题组取得了突破性进展。研究人员开发了一种称为低温液相细胞透射电子显微镜（CRYOLIC-TEM）的新方法，成功稳定了由液态水结晶形成的冰 Ih，并实现了埃级分辨率（Å-scale）的电子成像。他们结合晶格映射与分子动力学模拟，揭示了冰的形成对纳米级缺陷（如取向错误子域和 trapped 气泡）具有高度容忍性，这些缺陷由分子尺度的结构基元所稳定。重要的是，气泡表面会形成低能纳米刻面，并在周围晶体中产生可忽略的应变场。研究人员甚至在电子束照射下，原位观察到了这些气泡的动态成核、生长、迁移、溶解和合并过程。这项工作以分子空间分辨率深化了我们对水结晶行为的理解。相关论文以“ Molecular-resolution imaging of ice crystallized from liquid water by cryogenic liquid-cell TEM ”为题，发表在Nature Communications上，论文第一作者为Jingshan S. Du。
研究人员通过将去离子水封装在两片非晶碳膜之间，然后利用液氮缓慢冷却，成功将液态水冷冻成适用于TEM成像的大面积（可达微米级）单晶冰Ih薄膜。该方法制备的样品在电子束下表现出优异的稳定性，允许进行像差校正的高分辨率TEM成像，在连续单晶区域实现了高达1.3 Å的线分辨率。电子能量损失谱分析证实了封装冰的高化学纯度。通过双倾角低温样品台，研究人员还获得了冰沿不同晶带轴的衍射和高分辨图像。
图1 | 用于HRTEM的液态水结晶过程。 a. 示意图：将去离子水结晶形成的冰晶封装在非晶碳膜之间。 b. 封装在非晶碳膜之间的条状冰晶的TEM图像。 c. 选区电子衍射图，显示沿[0001]晶带轴的整体单晶性。 d-f. 冰Ih沿三个晶带轴的观察方向示意图（上图）、平均背景扣除滤波后的HRTEM图像（中图）和傅里叶变换图（下图）。为了方便，同时给出了米勒-布拉维指数和米勒指数。 g-h. 低损耗区域和氧K边核心损耗区域的电子能量损失谱。低损耗谱经过傅里叶对数算法解卷积以去除零损耗峰和多重散射。
在看似完美的单晶冰条的边缘区域，高分辨图像揭示了高度缺陷的织构。研究人员开发了晶格振幅映射方法来分析纳米级缺陷的空间分布。结果显示，尽管衍射图样显示为单晶，但边缘区域存在大量尺寸在10-20纳米、彼此间存在微小倾斜的子域。通过分析，发现这些子域的倾斜角度分布广泛，表明冰对低角度晶界具有很高的容忍度。
图2 | 缺陷晶体边缘的纳米级子域构型。 a. 晶体边缘附近有缺陷冰区域的HRTEM图像。 b. 图像a的傅里叶变换，三对{11-00}衍射斑点标记为A、B、C。 c. 将b图中三个衍射斑点的强度分别用红、绿、蓝颜色编码得到的强度图。 d. 从a图中虚线框区域提取的ABS滤波HRTEM图像，并按照c图进行颜色叠加。 e-f. 在HSI模型中，c图冰区域像素的色调和饱和度直方图。上图曲线为高斯拟合结果。
为了理解这些界面的结构和能量分布，研究人员进行了分子动力学模拟。模拟发现，对于与实验相关的厚度超过约10纳米的冰膜，低角度晶界的能量在初始上升后，在一个较宽的倾斜角度范围内趋于平坦。这是因为无论倾斜角度如何，冰都能通过形成完美的位错来适应晶格失配，而水分子的弱氢键和灵活四面体结构基元使得冰能够高度容忍局部晶格畸变。模拟得到的结构进行多切片TEM模拟后，其图像特征与实验观察到的晶格各向异性变化和界面过渡行为一致。
图3 | 冰膜中低角度晶界的分子动力学研究。 a. 上图：初始角度；下图：退火后MD模型在93 K下的平均内聚能随最终倾斜角度的变化。 b. 具有不同最终倾斜角度的倾斜冰模型的横截面图。 c. 案例2和3的位错核心横截面模型。 d. 案例2的横截面模型，显示滑移面上的分子、上下域的配置以及位错的局部特征。 e. 典型金属、独立式少层冰和>10纳米较厚冰膜中低角度晶界的示意性能量图。 f. 案例3的俯视图，横截面暴露位错核心。 g. 虚线框区域晶体的多切片模拟TEM图像。棕色轨迹为一行晶格斑点的强度分布。
在单晶冰的内部区域，研究人员发现了许多由水结晶过程中气体析出形成的纳米尺度限域气泡。通过几何相分析计算面内晶格畸变，发现这些纳米气泡周围的晶体中几乎不存在额外的应变场，这与基于弹性连续介质理论的预测以及分子动力学模拟的结果一致。在更薄的冰膜中，气泡变为准圆柱形通孔，使得能够直接观察气泡表面的分子结构。结果显示，尽管气泡整体呈弯曲形状，但其分子尺度的暴露表面主要由低能棱柱面构成，这表明气泡通过形成纳米刻面来最小化总表面能，非常接近热力学平衡状态。
图4 | 水结晶形成的气体纳米气泡。 a. 从晶体内部区域获取的沿[0001]晶带轴排列的冰Ih晶体的HRTEM图像。箭头指示 trapped 气体气泡。 b. 图像a的傅里叶变换。 c. 从a图中虚线框区域提取的ABS滤波HRTEM图像。 d. 将b图中三个衍射斑点的强度分别用红、绿、蓝颜色编码得到的强度图。 e-g. 通过几何相分析得到的面内应变分布图。 h. 该区域（内部）和缺陷边缘区域的力学量直方图对比。 i. 薄冰膜中一个通孔的ABS滤波HRTEM图像。 j. 分子动力学模拟的冰中纳米气泡的横截面视图，按局部体积应变着色。 k. 纳米气泡表面的分子，按识别出的刻面在3D和俯视图中着色。
当将样品台温度升至约-70°C并降低电子通量密度时，研究人员在单晶冰中原位观察到了新气泡的成核和生长。这些气泡能够在晶体中迁移并完全溶解，甚至发生动态聚集和合并，而冰样品始终保持单晶性，表明系统处于气泡生成和冰重结晶的准稳态附近。对晶格畸变的持续监测表明，即使在气泡动态演化过程中，它们对冰晶格造成的应变场也微乎其微。数值计算表明，在该实验条件下，冰的辐解化学反应可在数秒内达到气体生成的稳态。
图5 | 在准稳态下直接观察单晶冰Ih中气泡的运动轨迹。 a-c. 在-70°C和特定电子通量密度下，漂移校正后的时序HRTEM图像，显示三种气泡动态：成核与生长、溶解、以及合并。 d-e. 三个HRTEM序列中，面内晶格膨胀的平均值和标准偏差随时间的变化。 f. 在-70°C和特定电子通量密度下计算得到的冰辐解动力学。
这项研究首次实现了对液态水结晶冰中纳米缺陷的分子分辨率成像，所开发的样品制备方法为研究混合水体系、有机溶剂等提供了新途径。通过精确控制成像条件，未来有望直接观察冰-水界面结构以及分子分辨率的结晶和熔化动力学。实验图像和动态过程现在可以在以前无法达到的分子长度尺度上与计算模拟直接比较和关联，为揭示冰在环境、生物和材料系统中的结晶和熔化机制提供了新的研究范式。
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来源：蛙蛙科学咖