中國(guó)科學(xué)家首次“看到”冰表面原子結(jié)構(gòu)

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我國(guó)科學(xué)家首次“看到”冰表面原子結(jié)構(gòu)并揭示其融化奧秘

冰的表面結(jié)構(gòu)如何，何時(shí)開始融化、如何融化？這些問(wèn)題困擾科學(xué)界已久。由北京大學(xué)物理學(xué)院、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)（簡(jiǎn)稱輕元素平臺(tái)）組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，在國(guó)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

冰表面是多種自然現(xiàn)象和大氣反應(yīng)發(fā)生的重要媒介，對(duì)冰的形成、大氣平流層中臭氧分解及雷云帶電現(xiàn)象等均具有顯著影響。但因缺乏原子尺度實(shí)驗(yàn)工具，科學(xué)界對(duì)冰表面結(jié)構(gòu)的基本問(wèn)題一直未有明確解答。輕元素平臺(tái)特聘研究員田野介紹，團(tuán)隊(duì)利用qPlus型掃描探針顯微鏡，開發(fā)出可分辨氫原子和化學(xué)鍵的成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冰表面水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的精確識(shí)別和氫原子分布的精準(zhǔn)定位。探測(cè)發(fā)現(xiàn)，冰表面結(jié)構(gòu)同時(shí)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(luò)結(jié)構(gòu)。

圖為冰表面原子結(jié)構(gòu)效果圖。（受訪者供圖）

研究還揭示了冰表面預(yù)融化機(jī)制。冰表面常在低于零攝氏度下開始融化，該現(xiàn)象被稱為冰的預(yù)融化。輕元素平臺(tái)負(fù)責(zé)人江穎教授介紹，受研究工具所限，科學(xué)界一直無(wú)法獲得準(zhǔn)確原子尺度信息，圍繞冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制的爭(zhēng)論因此持續(xù)了170多年。國(guó)際研究普遍認(rèn)為，冰表面發(fā)生預(yù)融化的溫度在零下70攝氏度以上。

“我們通過(guò)變溫實(shí)驗(yàn)，首次在原子尺度上‘看到’冰表面預(yù)融化的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其在零下153攝氏度時(shí)就開始融化。”江穎說(shuō)，這對(duì)理解冰面的潤(rùn)滑現(xiàn)象、云的形成及冰川的消融過(guò)程等至關(guān)重要。

圖為隨著溫度升高冰表面預(yù)融化過(guò)程的原子級(jí)分辨成像。（受訪者供圖）

中國(guó)科學(xué)院院士、輕元素平臺(tái)理事長(zhǎng)王恩哥表示，這項(xiàng)工作刷新了長(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)知，為冰科學(xué)研究打開了新的原子尺度視角。

《自然》對(duì)該研究進(jìn)行專題報(bào)道。多位審稿人評(píng)論稱，團(tuán)隊(duì)對(duì)冰表面進(jìn)行原子級(jí)成像是重要的技術(shù)創(chuàng)新，所獲得的分辨率在冰表面成像中“前所未有”，這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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