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中国科大基于金刚石量子传感实现环境界面纳米尺度类冰水定量表征新方法

中国科学技术大学

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中国科学技术大学自旋磁共振实验室石发展教授研究团队与上海大学石国升教授、南京大学孔熙副教授等合作，在界面吸附层的纳米尺度表征领域取得重要进展。团队基于金刚石氮-空位色心量子传感的纳米磁共振技术，首次在室温大气开放环境中，实现了金刚石界面纳米级“类冰”水层的定量检测与分子吸附竞争行为的解析，清晰揭示了该类冰水层的形成机制及其与有机污染物的竞争吸附规律。相关研究成果为材料界面调控、催化剂设计等领域提供了新的实验方法与理论依据，该研究论文发表在《物理评论快报》上，并被国际学术媒体Phys. org报道。

界面的物理化学环境是决定低维材料结构、性能与工作效率的关键因素，而固体表面的吸附水层与空气污染物吸附层，是室温大气条件下最常见的界面环境。长期以来，科研人员试图解析这类吸附层的结构与动态特性，但原子力显微镜、光谱等传统表征技术存在范德华力干扰、对吸附层状态定量分析能力不足的问题。如何在室温大气条件下实现对表面吸附层的原子层精度、非侵入式定量表征，成为该领域的核心科学难题。

针对这一挑战，研究团队利用金刚石中约7纳米深度的氮-空位色心作为量子传感器，结合流式样品腔精准调控金刚石表面的气液环境，对表面纳米尺度的氢核及界面电子的磁共振信号开展探测。实验中，研究团队通过H₂O/D₂O同位素替换的方式，对金刚石表面的吸附层进行分层探测，同时利用分子动力学模拟确认了表面分子的吸附构型。这套纳米量子传感技术方案实现了室温大气固液界面吸附层的亚纳米尺度定量分析，填补了传统技术的空白。

通过系统的实验与分析，团队取得了一系列关键发现。（1）研究证实，室温大气下金刚石表面的微观吸附层并非单一结构，而是共存着纳米级类冰水层与紧密结合的有机吸附层，其中水层呈现出典型的固态特征。（2）团队发现水层呈现冰状的重要原因是界面电子：金刚石表面的悬挂键是类冰水层形成的核心“锚定位点”；水分子在悬挂键附近形成了刚性的氢键网络，极大限制了水分子的扩散运动。（3）研究首次揭示了有机吸附层与水分子在金刚石表面的吸附竞争规律：空气中的有机分子会与水分子竞争悬挂键的结合位点，随着有机吸附层的不断积累，金刚石表面的亲水性发生改变，类冰水层的氢键网络遭到破坏，水分子的扩散性显著增强，其特征也随之趋向液态。（4）实验还观察到，金刚石表面的类冰水层与气相水分子的交换是一个持续数小时的缓慢过程，这一特性为后续调控界面吸附结构提供了重要参考。

该研究开发出一种基于金刚石氮-空位色心的界面吸附量子传感分析方法，实现了室温大气下表面吸附层的亚纳米精度、非侵入式定量表征，同时首次明确金刚石表面类冰水层的形成机制与界面分子相互作用规律。界面吸附结构的调控能力直接影响着表面催化效率、二维材料的表面性能与微机电系统的工作稳定性，这项研究成果能够为催化剂设计、低维材料界面调控、微机电系统性能优化等提供新的实验与理论分析方法。

中国科大博士生李志杰是该论文第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、科技部、新基石科学基金会等资助。