5 月 23 日消息，北京大學物理學院、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺（簡稱輕元素平臺）組成的研究團隊，利用自主研發(fā)的國產(chǎn) qPlus 型掃描探針顯微鏡，在國際上首次“看到”冰表面的原子結(jié)構(gòu)，并揭示其在零下 153 攝氏度即開始融化的奧秘。該成果 22 日晚發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然》上。

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，但因缺乏原子尺度實驗工具，科學界對冰表面結(jié)構(gòu)的基本問題一直未有明確解答。

冰作為水重要的固體形態(tài)，廣泛存在于自然界中，全球冰川面積約占陸地面積的十分之一，其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)象有利于人類了解冰面的潤滑現(xiàn)象、云的形成與壽命、以及冰川的消融過程等現(xiàn)象，國際研究目前普遍認為，冰表面發(fā)生預融化的溫度在零下 70 攝氏度以上。

該研究發(fā)現(xiàn)六角冰的基面（basal plane）存在六角密堆積（Ih）和立方密堆積（Ic） 兩種堆疊方式，不同于過去普遍認為的只存在 Ih 一種堆疊方式的理想冰表面。Ih 和 Ic 晶疇通過水分子五、八元環(huán)缺陷連接，在納米尺度上實現(xiàn)無縫的層內(nèi)堆疊。

通過精確控制冰的生長溫度與氣壓，研究人員在冰表面發(fā)現(xiàn)了一種長程有序的周期性超結(jié)構(gòu)，其中大小規(guī)則的 Ic 和 Ih 納米晶疇交替排列；通過分析超結(jié)構(gòu)表面的氫核分布，并結(jié)合第一性原理計算，研究人員發(fā)現(xiàn)這種獨特的氫鍵網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能顯著減少冰表面懸掛氫核之間的靜電排斥能，從而使其比理想冰表面更加穩(wěn)定。

這一突破性發(fā)現(xiàn)刷新了人們對冰表面的傳統(tǒng)認知，結(jié)束了關(guān)于冰表面結(jié)構(gòu)及氫序的長期爭論。

據(jù)介紹，團隊利用 qPlus 型掃描探針顯微鏡，開發(fā)出可分辨氫原子和化學鍵的成像技術(shù)，實現(xiàn)冰表面水分子氫鍵網(wǎng)絡的精確識別和氫原子分布的精準定位。探測發(fā)現(xiàn)，冰表面結(jié)構(gòu)同時存在六角密堆積和立方密堆積兩種排列方式，且拼接堆砌形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

輕元素平臺負責人江穎教授表示：“我們通過變溫實驗，首次在原子尺度上‘看到’冰表面預融化的過程，發(fā)現(xiàn)其在零下 153 攝氏度時就開始融化，這對理解冰面的潤滑現(xiàn)象、云的形成及冰川的消融過程等至關(guān)重要”。

附論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07427-8

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總結(jié)

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