近日，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联合上海大学石国升教授和南京大学孔熙副教授团队，在界面吸附层纳米尺度表征方面取得重要进展。研究团队基于金刚石氮-空位色心量子传感技术，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，并解析了分子吸附竞争行为。相关研究成果发表于Physical Review Letters，并被国际学术媒体Phys.org报道。

图(a)界面水分层探测原理示意图；(b) 基于金刚石氮-空位色心量子传感及流式样品腔的界面探测分析装置；(c)界面电子悬挂键附近氢键网络的分子动力学模拟

界面的物理化学环境是决定低维材料结构、性能和工作效率的重要因素。在室温大气条件下，固体表面普遍存在吸附水层和空气污染物形成的吸附层，这些界面结构会显著影响材料表面反应、催化效率以及器件稳定性。

然而，传统的表征手段如原子力显微镜和光谱技术，往往会受到范德华力干扰，并且难以对吸附层进行精确的定量分析。因此，如何在室温大气条件下实现对界面吸附层的原子级精度、非侵入式表征，长期以来一直是该领域的重要科学挑战。

针对这一问题，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，结合流式样品腔技术对金刚石表面的气液环境进行精准调控，并对界面氢核与电子的磁共振信号进行探测。实验过程中，研究人员通过H₂O/D₂O同位素替换实现对吸附层的分层检测，同时结合分子动力学模拟分析表面分子的吸附构型。该方法实现了室温大气固液界面吸附层的亚纳米尺度定量表征，填补了传统表征技术的空白。

通过系统实验与理论分析，研究团队取得了一系列关键发现。首先，研究证实在室温大气条件下，金刚石表面的微观吸附层并非单一结构，而是由纳米级“类冰”水层与紧密结合的有机吸附层共同组成，其中水层呈现出明显的固态特征。

其次，研究揭示了类冰水层形成的关键机制。金刚石表面的悬挂键为水分子提供了稳定的结合位点，在其附近形成刚性的氢键网络，使水分子扩散受到明显限制，从而呈现出类似固态冰结构的特征。

研究还首次揭示了有机分子与水分子在金刚石表面的竞争吸附行为。空气中的有机分子会与水分子争夺悬挂键结合位点，随着有机吸附层逐渐累积，金刚石表面的亲水性发生改变，类冰水层的氢键网络逐渐被破坏，水分子的扩散能力增强，其结构也逐渐趋向液态。

此外，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。这一现象表明界面吸附结构具有明显的动态演化特征，也为后续通过环境调控实现界面结构调节提供了重要参考。

总体来看，该研究建立了一种基于金刚石氮-空位色心的界面吸附量子传感分析方法，实现了在室温大气环境下对表面吸附层的亚纳米精度、非侵入式定量表征，并首次明确了金刚石表面类冰水层的形成机制及界面分子相互作用规律。相关成果有望为催化剂设计、低维材料界面调控以及微机电系统稳定性优化等领域提供新的实验工具和理论依据。

来源：https://doi.org/10.1103/bkqn-c3n4

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