水在金屬表面的吸附是催化、腐蝕、電化學等諸多物理化學過程中的關鍵步驟。長期以來，科學界已在親水性金屬表面（如Pt、Ru、Cu等）上觀察到水分子形成二維潤濕結構或發生自發解離，形成混合吸附層，但是這種吸附層跟金屬表面的相互作用較強。然而，在諸如Ag(111)等疏水性金屬表面，水-金屬相互作用較弱，水分子傾向于形成三維冰顆粒，而非穩定的二維潤濕結構。能否在疏水金屬襯底上獲得有序的二維冰或水-羥基混合結構仍然有待理論和實驗的探索。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF09組的馮寶杰副研究員、陳嵐研究員和吳克輝研究員長期從事低維材料的制備和物性調控，近年來發現了多種新型的二維材料，比如狄拉克電子材料二維硅[PRL 122,196801 (2019); Nat. Commun. 13,7000 (2022)]、呼吸籠目晶格Nb3Cl8 [Nano Lett. 22,695 (2022)]、Coloring-Triangle晶格Cr8Se12 [Nat. Commun. 15,8940 (2024)]、二維外爾費米子PtTe1.75 [Nano Lett. 24,10237 (2024)]等。

近期，馮寶杰副研究員、陳嵐研究員指導博士生趙峭消，并和吉林大學王彥超教授、馬琰銘教授合作，發展了低能電子輔助合成的方法，通過電子注入激發部分H2O分子發生解離生成OH，再經過退火誘導結構重組，在Ag(111)表面成功合成了穩定的單層H2O-OH，該結構展現出優異的熱穩定性，可穩定存在至275K。利用角分辨光電子能譜技術，他們直接觀測到了樣品中H2O-OH對應的分子軌道，與第一性原理計算結果高度一致。利用X射線光電子譜，他們觀測到生長過程中由于電子束注入誘導H2O解離產生的OH對應的O1s峰，確認了單層H2O-OH的化學配比和結構。理論計算顯示，去掉襯底后單層H2O-OH的聲子譜沒有虛頻，因此可以看作一種新型的二維材料。他們進一步研究了生長過程中電子注入劑量對表面結構的影響，并結合理論計算確認了單層H2O-OH與Ag(111)的相互作用較弱。

圖1：Ag(111)表面H2O-OH單層的合成與表征

這一工作揭示了電子注入誘導水分子解離并構筑有序吸附網絡的新機制，在典型疏水性金屬表面實現了單層H2O-OH，為疏水性金屬表面的水吸附與潤濕行為提供了新的見解。相關研究成果以“Water-Hydroxyl Wetting Monolayer Predicted and Realized on a Hydrophobic Metal Surface”為題，發表在Journal of the American Chemical Society。江蘇師范大學徐美玲副教授和物理所博士生趙峭消為共同第一作者。物理所馮寶杰副研究員、陳嵐研究員以及吉林大學王彥超教授、馬琰銘教授為共同通訊作者。該研究工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院青年團隊等項目的支持。

編輯：Decoherence