奧地利維也納大學(xué)科學(xué)家主導(dǎo)的一個國際團隊在研究僅有一個原子厚的二維晶體材料時，首次直接觀察到一種介于固體與液體之間的奇特狀態(tài)——“六角相”。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了科學(xué)家對相變過程的理解，也為研究原子尺度材料拓展了全新方向。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《科學(xué)》雜志。

用于高溫受控研究的加熱芯片與電氣模塊。圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

日常生活中，冰融化成水是典型的固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變過程，幾乎所有三維材料均遵循這一規(guī)律。然而，當材料厚度減小至近乎二維時，融化過程卻變得不同尋常：在固、液兩相之間，浮現(xiàn)出一種新的中間態(tài)，即“六角相”。

早在20世紀70年代，科學(xué)家便已預(yù)測到“六角相”的存在。它兼具液態(tài)與固態(tài)的部分特征：顆粒間距如液體般無序，而結(jié)構(gòu)角度卻像固體那樣保持有序。此前，科學(xué)家僅能在較大模型系統(tǒng)（如聚苯乙烯球）中觀測到這一物相，而它是否也存在于日常的強結(jié)合材料中，一直是未解之謎。

在本次研究中，團隊首次在原子級薄層碘化銀（AgI）晶體中捕捉到該狀態(tài)。

團隊借助人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)千張高分辨率圖像中的原子軌跡進行追蹤。通過大量模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)能精準解析實驗圖像。結(jié)果顯示，在低于碘化銀熔點約25℃的狹窄溫區(qū)內(nèi)，清晰出現(xiàn)了“六角相”。進一步的電子衍射檢測也證實了該中間態(tài)在二維強結(jié)合材料中確實存在。

令人意外的是，實驗發(fā)現(xiàn)，固體到六角相的轉(zhuǎn)變是連續(xù)的，而六角相到液體的轉(zhuǎn)變卻是突變的，類似于冰與水之間的快速相變。這表明，二維共價晶體的熔化機制遠比以往認知更為復(fù)雜。