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光明日報北京5月22日電（記者晉浩天）北京大學物理學院量子材料科學中心、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺江穎教授、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)化的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，首次獲得了自然界最常見的六角冰表面的原子級分辨圖像。研究團隊發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153℃就會開始融化，并結(jié)合理論計算揭示了該過程的微觀機制，結(jié)束了有關(guān)冰表面預融化問題長達170多年的爭論。這項研究成果5月22日以《冰表面結(jié)構(gòu)和預融化過程的原子分辨成像》為題發(fā)表于《自然》?！蹲匀弧费芯亢唸髾谀窟€對該研究成果進行了專題報道。
“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雜有機分子生成的關(guān)鍵載體?！苯f說，因此，冰表面的研究對探索生命起源和物質(zhì)來源具有重要意義。然而，由于缺乏原子尺度的實驗表征手段，我們對冰表面的了解仍處于初級階段，甚至連基本問題——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（0℃）的溫度下開始融化，這一現(xiàn)象稱為冰的預融化。預融化現(xiàn)象對于理解冰面的潤滑現(xiàn)象、云的形成與壽命、冰川消融過程等至關(guān)重要。田野介紹，自從19世紀中期，法拉第首次提出預融化層的概念以來，圍繞其結(jié)構(gòu)和機制的爭論已經(jīng)持續(xù)了170多年。這種持續(xù)爭論的原因在于，相關(guān)研究主要依賴譜學手段，而這些手段受到衍射極限的限制，無法得到準確的原子尺度信息。因此，在實空間中對體相冰表面和預融化過程進行原子級分辨成像，是理解預融化層的關(guān)鍵。
江穎課題組長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)，并在國際上率先實現(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產(chǎn)化樣機，隨后通過校企聯(lián)合攻關(guān)，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的整機國產(chǎn)化。在本工作中，研究團隊進一步突破了絕緣體表面無法進行原位針尖修飾的限制，開發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對各種絕緣體表面實現(xiàn)穩(wěn)定的原子級分辨成像?！皣a(chǎn)掃描探針顯微鏡得到了比進口設(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?；谠搰a(chǎn)化設(shè)備，研究人員首次得到了自然界最常見的六角冰表面的原子級分辨圖像，實現(xiàn)了對表面氫鍵網(wǎng)絡(luò)的精確識別和氫核分布的精準定位?！苯f說。
為進一步探究冰表面預融化過程，研究人員進行了系統(tǒng)的變溫生長實驗，發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153℃時就開始融化。該工作顛覆了長期以來人們對冰表面結(jié)構(gòu)和預融化機制的傳統(tǒng)認識。冰表面重構(gòu)所引入的高密度分布疇界，促進了預融化的發(fā)生，使得冰表面在極低的溫度（零下153℃左右）下就開始變得無序，這個現(xiàn)象產(chǎn)生的溫度遠低于之前研究普遍認為的零下70℃左右?？紤]到預融化開始的溫度與大氣層中的地球最低溫度相當，這表明在自然環(huán)境中，大多數(shù)冰表面已經(jīng)處于預融化的無序狀態(tài)或者準液態(tài)。因此，理解地球上與冰相關(guān)的各種物理和化學性質(zhì)，需考慮預融化過程中形成的表面缺陷和亞穩(wěn)態(tài)的作用?！翱梢哉f，這些發(fā)現(xiàn)開啟了冰科學研究的新篇章，將對材料學、摩擦學、生物學、大氣科學、星際化學等眾多學科領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響?！苯f說。
（責任編輯：蔡文斌）
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