科学家追踪熔化过程中的每一个原子，揭示了此前未曾观察到的状态

维也纳大学研究团队利用扫描透射电子显微镜和人工智能技术，首次在实际材料中完整记录了二维晶体熔化的全过程。这项发表于《科学》杂志的研究揭示，超薄碘化银晶体从六角相到液态的转变并非如主流理论预测的连续过程，而是呈现出类似三维材料的突变特征。这一发现挑战了物理学界长达半个世纪的KTHNY理论框架，为理解低维材料相变提供了新的实验证据。

二维材料的熔化过程与日常观察到的冰变水截然不同。在三维晶体中，原子可在空间自由重排，熔化通常发生在明确的熔点温度并迅速完成。但当材料薄到仅有几个原子层厚度时，原子只能在平面内运动，受限的维度改变了相变的热力学规则。上世纪70年代，科斯特利茨、索利斯、哈尔珀林、纳尔逊和扬等物理学家提出KTHNY理论，预言二维晶体熔化分为两个连续阶段：固态首先转变为六角相，这是一种具有取向有序但位置无序特征的中间态，随后再连续转变为各向同性的液态。

石墨烯夹层技术实现原位观测

维也纳大学团队采用的实验设计巧妙地解决了观测超薄材料的技术难题。研究人员将单层碘化银晶体夹在两层石墨烯之间，形成范德华异质结构。石墨烯作为保护层发挥了多重作用：它不仅防止碘化银在真空环境中升华或卷曲变形，还能承受高温环境并允许电子束穿透进行成像。碘化银是一种离子晶体，室温下呈现纤锌矿结构，在约147摄氏度发生相变转变为超离子导体态，这种特性使其成为研究二维熔化的理想材料。

实验中，样品被置于扫描透射电子显微镜内并加热至1100摄氏度。该显微镜能够以亚埃级分辨率成像，记录每个原子的实时位置变化。研究团队获得了数千帧连续图像，每一帧都清晰显示了晶格结构的演变。这种原位高温观测技术此前被认为几乎不可能实现，因为极端条件下样品极易损坏或漂移，而石墨烯封装技术有效稳定了二维晶体的结构完整性。

更关键的创新在于引入人工智能辅助分析。维也纳大学资深作者金莫·穆斯托宁指出，手动追踪成千上万个原子在数千帧图像中的运动轨迹是不可能的任务。研究团队训练了深度学习神经网络来自动识别和追踪每个原子的位置，计算原子间距、键角和局域有序参数等关键物理量。这种AI驱动的分析方法使研究人员能够定量描述相变过程中的微观结构演化，精确确定各相变温度和转变机制。

六角相的确认与理论冲突

这是该团队进行观测时使用的部分仪器的图片。 Jani Kotokoski/维也纳大学

实验结果证实了六角相的存在。在低于真实熔点约25摄氏度时，碘化银晶体进入六角相状态。在这个阶段，原子间的距离出现涨落，类似液体的无序特征，但相邻原子之间的键角仍保持六角对称性，显示出晶体的取向有序。这种"摇摆晶体"状态兼具固液两相特征，是二维体系特有的物态。六角相的直接观测验证了KTHNY理论的第一阶段预言，也是该理论提出以来在真实共价键合材料中的首次实验证实。

然而，第二阶段的转变出人意料。研究团队发现，六角相到液态的转变并非理论预测的连续过程，而是表现为突然的一级相变。在特定温度点，晶格的取向有序性迅速消失,系统几乎瞬间变为完全无序的液态，类似于三维材料在熔点的行为。这一观测结果与所有主流二维熔化理论相矛盾，后者普遍认为两个转变阶段都应该是连续的拓扑相变。

维也纳技术大学的大卫·兰普雷希特表示，这表明共价二维晶体的熔化比之前认为的复杂得多。可能的解释包括:材料的共价键特性可能改变了拓扑缺陷的形成机制,或者电子显微镜下的有限尺寸效应影响了相变行为。也有理论物理学家提出,强相互作用二维体系可能存在KTHNY图景之外的熔化路径,需要发展新的理论框架来描述这类材料。

方法学突破与应用前景

这项研究建立了原子尺度观测相变的新标准。将高分辨率电子显微镜、原位加热技术和人工智能分析相结合的方法论,可以推广到其他二维材料体系。石墨烯封装策略已被证明能够保护多种敏感材料免受电子束辐照损伤和环境影响,使得此前无法研究的不稳定材料成为可观测对象。机器学习算法在处理海量显微图像数据方面的能力,正在成为材料科学研究的标准工具。

从基础物理角度看,这一发现促使理论家重新审视低维相变理论。KTHNY理论基于拓扑缺陷解禁的图景,在胶体微球等模型体系中得到验证,但在真实共价晶体中的适用性存在限制。强相互作用、量子效应和有限尺寸效应可能都对相变路径产生影响。理解这些因素如何修正标准理论,将深化对维度效应和对称性破缺机制的认识。

二维材料在未来电子器件中具有广阔应用前景,尤其是柔性电子和透明导电薄膜领域。石墨烯、二硫化钼等材料已展示出优异的电学和光学性能,但器件稳定性仍面临挑战。理解这些材料在热环境下的相变行为,对于设计可靠的电子器件至关重要。例如,柔性显示屏和可穿戴传感器在工作时会产生热量,如果材料在接近熔点时性能发生剧变,可能导致器件失效。原子级的相变观测为优化材料加工工艺和预测器件性能提供了微观依据。

维也纳大学团队计划将这一技术应用于更多二维材料体系,系统研究材料成分、键合类型和晶格结构对熔化机制的影响。他们也在开发更先进的AI算法来识别复杂的结构特征,如拓扑缺陷的形成和运动。随着实验技术的进步和理论模型的完善,科学家有望建立统一的二维相变理论框架,指导新型低维功能材料的设计与应用。

这项研究标志着凝聚态物理实验方法的重大进步。从首次理论预言到实验证实经历了半个世纪,而新发现的反常行为提示理论完善之路仍然漫长。正如物理学史上多次证明的,实验观测往往带来意外惊喜,推动理论突破和技术革新。