原標(biāo)題：我科學(xué)家首次揭示六角冰表面原子級(jí)分辨圖像
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本報(bào)北京5月22日電（記者晉浩天）北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺(tái)江穎教授、徐莉梅教授、田野特聘研究員、王恩哥院士等合作，利用自主研發(fā)并商業(yè)化的國(guó)產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，首次獲得了自然界最常見(jiàn)的六角冰表面的原子級(jí)分辨圖像。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153℃就會(huì)開(kāi)始融化，并結(jié)合理論計(jì)算揭示了該過(guò)程的微觀機(jī)制，結(jié)束了有關(guān)冰表面預(yù)融化問(wèn)題長(zhǎng)達(dá)170多年的爭(zhēng)論。這項(xiàng)研究成果5月22日以《冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化過(guò)程的原子分辨成像》為題發(fā)表于《自然》。《自然》研究簡(jiǎn)報(bào)欄目還對(duì)該研究成果進(jìn)行了專題報(bào)道。
“水是生命之源，而冰作為水重要的固體形態(tài)，廣泛存在于自然界中。作為自然界中最普遍的表面之一，冰面承載著多種重要的大氣反應(yīng)，并影響眾多自然現(xiàn)象，如冰的形成、臭氧的分解、雷云的帶電等。在星際空間中，被冰覆蓋的塵埃顆粒是復(fù)雜有機(jī)分子生成的關(guān)鍵載體。”江穎說(shuō)，因此，冰表面的研究對(duì)探索生命起源和物質(zhì)來(lái)源具有重要意義。然而，由于缺乏原子尺度的實(shí)驗(yàn)表征手段，我們對(duì)冰表面的了解仍處于初級(jí)階段，甚至連基本問(wèn)題——冰的表面結(jié)構(gòu)是什么，尚未弄清楚。
此外，冰表面常在低于其熔點(diǎn)（0℃）的溫度下開(kāi)始融化，這一現(xiàn)象稱為冰的預(yù)融化。預(yù)融化現(xiàn)象對(duì)于理解冰面的潤(rùn)滑現(xiàn)象、云的形成與壽命、冰川消融過(guò)程等至關(guān)重要。田野介紹，自從19世紀(jì)中期，法拉第首次提出預(yù)融化層的概念以來(lái)，圍繞其結(jié)構(gòu)和機(jī)制的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了170多年。這種持續(xù)爭(zhēng)論的原因在于，相關(guān)研究主要依賴譜學(xué)手段，而這些手段受到衍射極限的限制，無(wú)法得到準(zhǔn)確的原子尺度信息。因此，在實(shí)空間中對(duì)體相冰表面和預(yù)融化過(guò)程進(jìn)行原子級(jí)分辨成像，是理解預(yù)融化層的關(guān)鍵。
江穎課題組長(zhǎng)期致力于高分辨掃描探針顯微鏡的自主研發(fā)和應(yīng)用，創(chuàng)新性發(fā)展出了一套基于高階靜電力的qPlus掃描探針技術(shù)，并在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)氫核的成像。2022年，課題組完成了qPlus型掃描探針顯微鏡的國(guó)產(chǎn)化樣機(jī)，隨后通過(guò)校企聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的整機(jī)國(guó)產(chǎn)化。在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步突破了絕緣體表面無(wú)法進(jìn)行原位針尖修飾的限制，開(kāi)發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對(duì)各種絕緣體表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子級(jí)分辨成像。“國(guó)產(chǎn)掃描探針顯微鏡得到了比進(jìn)口設(shè)備更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為冰表面結(jié)構(gòu)解析提供了關(guān)鍵支撐。基于該國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，研究人員首次得到了自然界最常見(jiàn)的六角冰表面的原子級(jí)分辨圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面氫鍵網(wǎng)絡(luò)的精確識(shí)別和氫核分布的精準(zhǔn)定位。”江穎說(shuō)。
為進(jìn)一步探究冰表面預(yù)融化過(guò)程，研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)的變溫生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153℃時(shí)就開(kāi)始融化。該工作顛覆了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。冰表面重構(gòu)所引入的高密度分布疇界，促進(jìn)了預(yù)融化的發(fā)生，使得冰表面在極低的溫度（零下153℃左右）下就開(kāi)始變得無(wú)序，這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)低于之前研究普遍認(rèn)為的零下70℃左右。考慮到預(yù)融化開(kāi)始的溫度與大氣層中的地球最低溫度相當(dāng)，這表明在自然環(huán)境中，大多數(shù)冰表面已經(jīng)處于預(yù)融化的無(wú)序狀態(tài)或者準(zhǔn)液態(tài)。因此，理解地球上與冰相關(guān)的各種物理和化學(xué)性質(zhì)，需考慮預(yù)融化過(guò)程中形成的表面缺陷和亞穩(wěn)態(tài)的作用。“可以說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了冰科學(xué)研究的新篇章，將對(duì)材料學(xué)、摩擦學(xué)、生物學(xué)、大氣科學(xué)、星際化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。”江穎說(shuō)。