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，利用自主研發並商業化的國產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。研究團隊發現冰表面在零下153℃就會開始融化，並結合理論計算揭示了該過程的微觀機制，結束了有關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《冰表面結構和預融化過程的原子分辨成像》為題發表於《自然》。《自然》研究簡報欄目還對該研究成果進行了專題報導。

“水是生命之源，而冰作為水重要的固體形態，廣泛存在於自然界中。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，並影響眾多自然現象，如冰的形成、臭氧的分解、雷雲的帶電等。在星際空間中，被冰覆蓋的塵埃顆粒是複雜有機分子生成的關鍵載體。”江穎說，因此，冰表面的研究對探索生命起源和物質來源具有重要意義。然而，由於缺乏原子尺度的實驗表徵手段，我們對冰表面的瞭解仍處於初級階段，甚至連基本問題——冰的表面結構是什麼，尚未弄清楚。

此外，冰表面常在低於其熔點（0℃）的溫度下開始融化，這一現象稱為冰的預融化。預融化現象對於理解冰面的潤滑現象、雲的形成與壽命、冰川消融過程等至關重要。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，圍繞其結構和機制的爭論已經持續了170多年。這種持續爭論的原因在於，相關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資訊。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鍵。

江穎課題組長期致力於高分辨掃描探針顯微鏡的自主研發和應用，創新性發展出了一套基於高階靜電力的qPlus掃描探針技術，並在國際上率先實現氫核的成像。2022年，課題組完成了qPlus型掃描探針顯微鏡的國產化樣機，隨後通過校企聯合攻關，實現了該系統的整機國產化。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，開發了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術，可對各種絕緣體表面實現穩定的原子級分辨成像。“國產掃描探針顯微鏡得到了比進口設備更高質量的數據，為冰表面結構解析提供了關鍵支撐。基於該國產化設備，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，實現了對表面氫鍵網路的精確識別和氫核分佈的精准定位。”江穎說。

為進一步探究冰表面預融化過程，研究人員進行了系統的變溫生長實驗，發現冰表面在零下153℃時就開始融化。該工作顛覆了長期以來人們對冰表面結構和預融化機制的傳統認識。冰表面重構所引入的高密度分佈疇界，促進了預融化的發生，使得冰表面在極低的溫度（零下153℃左右）下就開始變得無序，這個現象產生的溫度遠低於之前研究普遍認為的零下70℃左右。考慮到預融化開始的溫度與大氣層中的地球最低溫度相當，這表明在自然環境中，大多數冰表面已經處於預融化的無序狀態或者准液態。因此，理解地球上與冰相關的各種物理和化學性質，需考慮預融化過程中形成的表面缺陷和亞穩態的作用。“可以說，這些發現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域產生深刻的影響。”江穎說。

來源：光明日報