冷冻液相细胞透射电镜实现液态水结晶冰的分子分辨率成像——揭示纳米缺陷与气泡动态的耐受机制

为解决冰结晶微观缺陷难以原位解析的难题，研究人员开发了CRYOLIC-TEM技术，首次实现对液态水结晶的冰Ih进行?级分辨率成像。研究发现冰晶对错向亚域和气泡缺陷具有高度耐受性，气泡表面形成低能纳米刻面且不产生应变场。该工作为理解冰结晶行为提供了分子尺度的直接证据，对大气科学和低温生物学具有重要意义。

　　

冰是自然界最普遍存在的物质之一，从大气过程、交通运输安全到生物医学冷冻保存和食品工业，冰的结晶行为在多个领域都具有至关重要的意义。然而，尽管冰如此常见，科学家们却从未获得过从液态水结晶的冰在分子分辨率下的图像，特别是对其纳米级缺陷或微观结构的直观观察。这主要是因为在髙分辨率成像条件下，制备和保存结晶冰样品面临巨大困难——冰样品容易在电子束照射下受损，且传统制样方法难以维持其天然结晶状态。

以往的研究多依赖于计算机模拟或光谱学、衍射学等整体尺度分析技术。虽然近年来低温透射电镜（cryo-TEM）和超高真空扫描探针显微镜技术的发展使得从气相凝结或由玻璃化薄膜转换而来的冰的原子分辨率成像成为可能，但这些实验通常局限于随机形状和远离平衡态结构的晶体。真正通过对液态水结晶形成的冰的微观结构及缺陷进行分子分辨率成像，至今仍是一个尚未实现的目标。

正是在这一背景下，杜景山（Jingshan S. Du）及其合作者在《Nature Communications》上发表了他们的突破性工作。他们开发了一种称为低温液相细胞透射电镜（cryogenic liquid-cell TEM, CRYOLIC-TEM）的新方法，首次实现了对液态水结晶的六方冰（ice I_h）的分子分辨率成像。通过结合晶格映射和分子动力学（MD）模拟，研究人员揭示了冰的形成对错向亚域和俘获气泡等纳米缺陷具有高度耐受性，这些缺陷通过分子尺度的结构基元得以稳定。尤为重要的是，气泡表面采用低能纳米刻面，并在周围晶体中产生可忽略的应变场。这些气泡在电子照射下可以动态成核、生长、迁移、溶解和合并，并能在接近稳态的条件下进行原位观察。

本研究的关键技术方法包括：自主开发的CRYOLIC-TEM样品制备与成像技术，使用非晶碳膜封装液态水并控制结晶过程；采用像差校正高分辨TEM在低于2?的线分辨率下采集数据；结合几何相位分析（GPA）和晶格振幅映射进行纳米缺陷定量分析；利用基于机器学习势函数的粗粒化分子动力学（MD）模拟研究缺陷能量景观；以及电子能量损失谱（EELS）和低温电子衍射用于化学和结构表征。

稳定液态水结晶的冰I_h单晶

研究人员首先将去离子水封装在两片涂覆非晶碳（a-C）膜的TEM载网之间，然后通过液氮冷却样品。缓慢的冷却过程允许水结晶形成大面积（微米级）的单晶冰I_{h薄膜。这些样品在电子束下表现出优异的稳定性，可持续成像数分钟而不产生可观察的纳米缺陷。通过双倾转低温样品台，获得了沿不同晶带轴的衍射和HRTEM图像。EELS分析证实了样品的高化学纯度，排除了有机污染的可能。}

缺陷晶体边缘的纳米级亚域

尽管选区电子衍射（SAED）显示样品为单晶，但HRTEM在晶体边缘区域发现了高度缺陷的织构。通过晶格振幅映射分析，研究人员发现这些区域存在大量尺寸为10-20 nm的亚域，彼此间存在微小取向差。进一步采用色调-饱和度-强度（HSI）模型分析表明，亚域的取向分布广泛，主要绕初级棱柱面法向旋转。分子动力学模拟表明，由于水分子间氢键较弱且四面体结构基元具有灵活性，冰晶对低位错角晶界（LAGB）具有高耐受性，能够在很宽的倾角范围内以低能量 penalty 形成完美位错。

水结晶形成的气体纳米气泡

在单晶内部区域，研究人员发现了许多俘获的气体纳米气泡。通过GPA分析发现，这些气泡周围的晶体中几乎不存在额外的应变场，与连续弹性理论和MD模拟结果一致。在更薄的冰膜中，气泡表现为准圆柱形孔洞，其分子尺度的暴露面主要为初级棱柱面{11?00}和次级棱柱面{21?10}——这些是冰I_h中垂直于[0001]方向的最低能面。MD模拟进一步证实了气泡表面的纳米刻面结构，表明这些气泡接近热力学平衡状态。

气泡动态轨迹的原位观察

当将样品台温度升至-70°C并降低电子通量密度时，研究人员在原位HRTEM条件下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、完全溶解以及发生 coalescence，而冰样品保持单晶性，表明系统处于气泡生成和冰重结晶的近似稳态。GPA分析证实，即使在动态演化过程中，纳米气泡也不会引起显著的应变场。

研究表明，电子束下的气泡形成主要归因于辐射分解（radiolysis）和入射电子的 knock-on 损伤。通过将液相TEM中水辐射分解的反应动力学模型扩展至低温条件，数值计算表明在-70°C和25 e?^-2s^-1条件下，系统可在数秒内达到气体生成的稳态，与原位TEM结果一致。

这项研究首次实现了对液态水结晶冰的纳米缺陷进行分子分辨率成像，所开发的样品制备方法成功将液态水结晶为a-C膜间的薄冰膜，是达成这一成像突破的关键。这些样品包含大面积单晶区域，在HRTEM条件下足够稳定，可用于扩展成像。该方法可进一步推广至混合水系和有机溶剂样品的研究，为液-液相分离、溶质沉淀和有机液体冻结行为提供新见解。

尽管冰样品与封装膜之间存在异质界面，但样品厚度通常远大于界面区域（约1 nm），因此体相相变的物理过程不会有显著偏差。然而，该尺度的界面平衡和性质预计与体相有所不同，因此在将HRTEM研究结论推广至体相晶体时需谨慎。通过对样品温度和电子通量密度的调控，实现了晶体冰中气泡生成和溶解的近似稳态。对成像条件的更精细控制有望进一步实现对冰-水界面结构的直接成像，乃至分子分辨率的结晶和融化动力学研究，这将触及冰研究领域的“圣杯”。

实验图像和电影现在可以直接与计算模拟在分子尺度上进行比对和关联，从而揭示底层结构、分子相互作用和相变路径。这种?尺度信息的直接提取为冰结晶和融化的理论、模型及预测提供了新的研究范式，对环境、生物和材料系统中的相关应用具有深远意义。