科学家首次观测到物质的一种奇特“中间态”

极薄材料的表现大不相同。它们不会一次性熔化，而是会经历一种介于固态和液态之间的特殊中间状态。这种罕见状态被称为六方相。维也纳大学的科学家们现在在原子级薄的晶体中直接观察到了这一相态，这是此前从未得到证实的。

该团队将先进的电子显微镜与神经网络相结合，记录了碘化银晶体在石墨烯层保护下的熔化过程。这些超薄的二维材料使研究人员能够在单个原子层面观察熔化的展开。研究结果极大地增进了科学界对二维相变机制的理解。这些发现还与长期以来的理论预期相悖，目前已发表在《科学》杂志上。

### 为何二维材料熔化方式不同
在日常材料中，熔化是突然发生的。一旦达到熔点，有序的固态结构会迅速转变为无序的液态。金属、矿物、冰以及许多其他三维物质都有这种特性。

然而，当材料被缩减到近乎二维时，熔化过程则会遵循不同的路径。在固态和液态之间，可能会出现一种明显的中间相。这种被称为六方相的状态早在20世纪70年代就已提出，但在实际材料中一直难以证实。

在这一相态中，材料表现出混合特性：粒子间的间距变得不规则，类似于液态；而粒子间的角度则保持部分有序，这是通常与固态相关的特性。这种组合使六方相成为兼具两种物态性质的混合状态。

### 解开真实材料中的长期谜团
在此之前，六方相仅在简化的模型系统（如紧密堆积的聚苯乙烯球）中被观察到。科学家们不确定在由强化学键结合的日常材料中是否存在同样的行为。

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方相。这一成果解决了数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态可以在真实的二维晶体中出现，并揭示了材料缩减到原子厚度时熔化过程的新细节。

### 石墨烯三明治中的原子熔化
为了观察这一脆弱的过程，研究人员设计了专门的实验装置。将单层碘化银置于两片石墨烯之间，形成保护性的“三明治”结构。这种结构防止了脆弱晶体的坍塌，同时仍允许其自然熔化。

然后，团队使用配备加热支架的扫描透射电子显微镜（STEM）将样品温度逐渐升高至1100°C以上。这种装置使得实时、原子分辨率记录熔化过程成为可能。

### 人工智能如何实现原子级追踪
在熔化过程中追踪单个原子的运动产生了大量数据。该研究的资深作者、维也纳大学的基莫·穆斯托宁表示，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，就不可能追踪所有这些单个原子，”他解释道。

研究人员使用大量模拟数据集训练他们的神经网络。训练完成后，该系统分析了实验过程中生成的数千张高分辨率显微镜图像。

### 窄温度窗口揭示六方相
分析揭示了一个惊人的结果。在一个小的温度范围内——大约比碘化银熔点低25°C——晶体进入了明确定义的六方相。额外的电子衍射测量证实了这一行为，为这种中间状态存在于原子级薄的强键合材料中提供了有力证据。

### 重新思考二维材料的熔化机制
该研究还揭示了挑战现有理论的行为。早期模型认为，从固态到六方相以及从六方相到液态的两种转变都应该是渐进的。然而，研究人员发现只有第一次转变遵循这种模式。

虽然从固态到六方相的转变是平稳展开的，但从六方相到液态的转变却突然发生，很像冰变成水。“这表明共价二维晶体的熔化比之前认为的要复杂得多，”维也纳大学和维也纳技术大学（TU Wien）的大卫·兰普雷希特说，他与同样来自维也纳大学的Thuy An Bui是该研究的主要作者之一。

### 为材料科学开辟新路径
这一发现挑战了数十年的理论假设，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亚尼·科塔科斯基强调了这项工作的重要性，他说：“基莫和他的同事们再次证明了原子分辨率显微镜的强大功能。”

除了增进我们对二维熔化的理解外，这项研究还展示了先进显微镜和人工智能如何协同工作，探索材料科学的新前沿。

### 核心要点
当材料只有几个原子厚时，它们不会以通常的方式熔化。它们不会直接从固态跳到液态，而是会经过一种称为“六方相”的罕见中间状态。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。

为实现这一点，研究人员将单层碘化银密封在保护性的“石墨烯三明治”中。然后使用先进的电子显微镜和神经网络来追踪晶体加热并开始熔化时单个原子的运动。

这种方法揭示了一个明确的结果：在一个非常窄的温度范围内，大约比碘化银熔点低25°C，晶体进入了介于固态和液态之间的独特六方相。

该团队还发现了一个意外的转折：虽然从固态到六方相的转变正如理论预测的那样是渐进的，但从六方相到液态的最终转变却突然发生，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）的未来发展提供了更坚实的基础。