当材料变得仅有一个原子厚度时，其熔化过程不再遵循常规规则。此时并不会直接从固态跃变为液态，而是会出现一种特殊的中间状态——原子排列像液体般松散，却仍保留部分类似固体的有序结构。维也纳大学的科学家通过拍摄保护性石墨烯夹层内超薄碘化银晶体的熔化过程，首次实时捕捉到了这种难以捉摸的"六角相"。
极薄的材料表现非常不同。它们不会一下子全部熔化，而是会经历一种介于固体和液体之间的不寻常中间状态。这种罕见的状态被称为六角相。维也纳大学的科学家们现在首次在原子级薄晶体中直接观察到了这种相，这是此前从未被证实的。
通过将先进的电子显微镜与神经网络相结合，该研究团队记录下了碘化银晶体在被石墨烯层保护下熔化过程。这些超薄的二维材料使研究人员能够在单个原子层面上观察熔化的过程。这一成果极大地提升了科学界对二维材料中相变过程的理解。这些发现也挑战了长期存在的理论预期，相关成果现已发表在《科学》期刊上。
为什么二维材料熔化方式不同
在常见材料中，熔化是突然发生的。一旦达到熔化温度，有序的固体结构会迅速转变为无序的液体。金属、矿物、冰以及许多其他三维物质都具有这种特性。
然而，当材料被缩减到近乎二维时，熔化则遵循不同的路径。在固态和液态之间，会出现一个独特的中间相。这种被称为六角相的状态于20世纪70年代首次被提出，但在实际材料中一直难以得到证实。
在此相中，材料表现出混合行为。粒子间的间距变得不规则，类似于液体，而粒子间的角度却保持部分有序，这通常是固体的特征。这种结合使得六角相成为一种兼具两种物质形态特性的混合状态。
破解实际材料中长期存在的谜团
直到现在，六角相仅在简化的模型系统（如密排的聚苯乙烯球）中被观察到。科学家们不确定同样的行为是否也存在于由强化学键结合在一起的日常材料中。
由维也纳大学领导的国际研究团队现在回答了这个问题。通过研究原子级薄的碘化银（AgI）晶体，研究人员首次在强键合材料中直接观察到了六角相。这一成就解决了几十年来悬而未决的问题。
这一发现证实了这种难以捉摸的相可以存在于真实的二维晶体中，并揭示了当材料减薄至原子厚度时熔化过程的新细节。
在石墨烯"三明治"中熔化原子
为了观察这一脆弱的过程，研究人员设计了一个专门的实验装置。他们将单层碘化银置于两层石墨烯之间，形成一个保护性的"三明治"结构。这种结构防止了脆弱的晶体崩塌，同时仍允许其自然熔化。
研究团队随后使用配备了加热台的扫描透射电子显微镜（STEM），将样品温度逐渐升至1100°C以上。这种设置使得实时、原子级分辨率地记录熔化过程成为可能。
人工智能如何实现原子级追踪
追踪熔化过程中单个原子的运动会产生海量数据。该研究的资深作者、维也纳大学的Kimmo Mustonen表示，如果没有人工智能，这项任务是不可能完成的。"如果不使用神经网络等人工智能工具，追踪所有这些单个原子是不可能的，"他解释道。
研究人员使用大量模拟数据训练他们的神经网络。训练完成后，该系统分析了实验中生成的数千张高分辨率显微镜图像。
狭窄的温度窗口揭示六角相
分析得出了一个引人注目的结果。在一个很小的温度范围内——大约在AgI熔点以下25°C——晶体进入了一个明确界定的六角相。额外的电子衍射测量证实了这一行为，为这种中间态存在于原子级薄、强键合材料中提供了强有力的证据。
重新思考二维材料熔化机制
这项研究还揭示了挑战现有理论的行为。早期的理论模型表明，从固态到六角相以及从六角相到液态的两次转变都应是逐渐发生的。然而，研究人员发现只有第一次转变遵循了这种模式。
固体到六角相的转变是平稳进行的，而六角相到液体的转变则是突然发生的，很像冰变成水。"这表明共价二维晶体的熔化过程比以前认为的要复杂得多，"该研究的主要作者之一、来自维也纳大学和维也纳工业大学的David Lamprecht说。该研究的另一位主要作者是同样来自维也纳大学的Thuy An Bui。
开启材料科学新路径
这一发现挑战了几十年来的理论假设，并为在最小尺度上研究物质开辟了新方向。维也纳大学研究小组负责人Jani Kotakoski强调了这项工作的意义，他表示："Kimmo和他的同事们再次证明了原子级分辨率显微镜的强大威力。"
除了加深我们对二维材料熔化的理解外，这项研究还展示了先进的显微镜技术和人工智能如何协同工作，以探索材料科学的新前沿。
要点总结
- 当材料仅有几个原子厚时，它们不会以通常的方式熔化。它们不是直接从固态跳到液态，而是会经历一种罕见的中间状态，称为'六角相'。维也纳大学的科学家们现在首次在原子级薄的碘化银（AgI）晶体中直接观察到了这一过程。
- 为了实现这一目标，研究人员将单层碘化银密封在保护性的'石墨烯三明治'内。随后利用先进的电子显微镜和神经网络来追踪晶体受热并开始熔化时单个原子的运动方式。
- 这种方法揭示了一个明确的结果。在一个非常狭窄的温度范围内，大约在AgI熔点以下25°C，晶体进入了一个介于固体和液体之间的独特六角相。
- 研究团队还发现了一个意想不到的反转。虽然从固态到六角相的变化是逐渐发生的，正如理论预测的那样，但从六角相到液态的最终转变却是突然发生的，类似于冰融化成水。这与关于二维材料应如何熔化的长期假设相矛盾。
- 总之，这些发现重塑了科学家对真实材料中相变的理解，并为材料科学（尤其是在原子尺度上）的未来进展奠定了更坚实的基础。