...等在《自然》发文揭示冰表面原子结构和预融化机制

发布网友发布时间：2024-10-08 17:14

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热心网友时间：2024-10-15 14:23

江颖教授、徐莉梅教授、田野特聘研究员、王恩哥院士等科学家团队，运用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，首次实现了对六角冰表面的原子级分辨成像，揭示了自然界中常见的六角冰表面结构和预融化机制。这一突破性成果于2023年5月22日发表在《自然》杂志上，题为“Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution”。《自然》研究简报对该成果进行了专题报道，指出“Atomic-scale insights into the mystery of how ice surfaces melt”。研究团队发现，冰表面在零下153摄氏度就开始融化，并结合理论计算揭示了这一过程的微观机制，结束了170多年有关冰表面预融化问题的争论。

冰，作为水的固体形态，广泛存在于自然界中，对多种大气反应和自然现象产生重要影响。然而，由于缺乏原子尺度的实验表征手段，科学家们对冰表面结构知之甚少。冰表面常在低于其熔点温度下开始融化，称为冰的预融化现象。该现象对于理解冰面的润滑、云的形成与寿命、冰川的消融过程等至关重要。自19世纪中期以来，围绕冰表面预融化层的结构和机制的争论持续了170多年。

江颖课题组长期致力于高分辨扫描探针显微镜的自主研发和应用，创新性发展出基于高阶静电力的qPlus扫描探针技术，并在国际上率先实现氢核的成像。课题组完成了国产化样机的开发，随后将核心专利转让给北京怀柔中科艾科米公司，实现系统整机国产化。基于国产化设备，研究人员首次得到了自然界最常见的六角冰表面的原子级分辨图像，实现了对表面氢键网络的精确识别和氢核分布的精准定位。研究发现，六角冰的基面存在六角密堆积（Ih）和立方密堆积（Ic）两种堆叠方式，不同于过去普遍认为的只存在Ih一种堆叠方式的理想冰表面。Ih和Ic晶畴通过水分子五、八元环缺陷连接，在纳米尺度上实现无缝的层内堆叠。

基于这一发现，研究人员系统地变温生长实验，发现冰表面在零下153摄氏度时就开始融化。在融化初期，冰表面的长程有序超结构中局部开始出现大小不一的晶畴。随着温度升高，超结构序完全消失，在畴界附近出现了大面积表面无序，观察到局域的平面化团簇结构。理论计算表明，这种结构是亚稳态，形成过程涉及表面水分子层内氢键网络的调整和层间氢键的断裂。

该研究工作揭示了冰表面的原子结构和预融化机制，颠覆了人们对冰表面传统认知，开启了冰科学研究的新篇章。这些发现对材料学、摩擦学、生物学、大气科学、星际化学等多个学科领域产生深刻影响。研究团队成员包括洪嘉妮、田野、梁天成、刘心萌，他们分别在扫描探针实验、第一性原理计算和模拟等方面作出了重要贡献。该工作得到了《自然》审稿人高度评价，认为是“最令人印象深刻且完整的论文之一”，“在冰表面成像中是前所未有的分辨率”，“对大气科学、材料科学等领域的研究产生深远的影响”。