我科学家首次揭示六角冰表面原子级分辨图像

北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台江颖教授、徐莉梅教授、田野特聘研究员、王恩哥院士等合作,利用自主研发并商业化的国产qPlus型扫描探针显微镜,首次获得了自然界最常见的六角冰表面的原子级分辨图像。研究团队发现冰表面在零下153℃就会开始融化,并结合理论计算揭示了该过程的微观机制,结束了有关冰表面预融化问题长达170多年的争论。这项研究成果5月22日以《冰表面结构和预融化过程的原子分辨成像》为题发表于《自然》。《自然》研究简报栏目还对该研究成果进行了专题报道。

“水是生命之源,而冰作为水重要的固体形态,广泛存在于自然界中。作为自然界中最普遍的表面之一,冰面承载着多种重要的大气反应,并影响众多自然现象,如冰的形成、臭氧的分解、雷云的带电等。在星际空间中,被冰覆盖的尘埃颗粒是复杂有机分子生成的关键载体。”江颖说,因此,冰表面的研究对探索生命起源和物质来源具有重要意义。然而,由于缺乏原子尺度的实验表征手段,我们对冰表面的了解仍处于初级阶段,甚至连基本问题——冰的表面结构是什么,尚未弄清楚。

此外,冰表面常在低于其熔点(0℃)的温度下开始融化,这一现象称为冰的预融化。预融化现象对于理解冰面的润滑现象、云的形成与寿命、冰川消融过程等至关重要。田野介绍,自从19世纪中期,法拉第首次提出预融化层的概念以来,围绕其结构和机制的争论已经持续了170多年。这种持续争论的原因在于,相关研究主要依赖谱学手段,而这些手段受到衍射极限的限制,无法得到准确的原子尺度信息。因此,在实空间中对体相冰表面和预融化过程进行原子级分辨成像,是理解预融化层的关键。

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,创新性发展出了一套基于高阶静电力的qPlus扫描探针技术,并在国际上率先实现氢核的成像。2022年,课题组完成了qPlus型扫描探针显微镜的国产化样机,随后通过校企联合攻关,实现了该系统的整机国产化。在本工作中,研究团队进一步突破了绝缘体表面无法进行原位针尖修饰的限制,开发了一种通用的一氧化碳分子修饰针尖技术,可对各种绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像。“国产扫描探针显微镜得到了比进口设备更高质量的数据,为冰表面结构解析提供了关键支撑。基于该国产化设备,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。”江颖说。

为进一步探究冰表面预融化过程,研究人员进行了系统的变温生长实验,发现冰表面在零下153℃时就开始融化。该工作颠覆了长期以来人们对冰表面结构和预融化机制的传统认识。冰表面重构所引入的高密度分布畴界,促进了预融化的发生,使得冰表面在极低的温度(零下153℃左右)下就开始变得无序,这个现象产生的温度远低于之前研究普遍认为的零下70℃左右。考虑到预融化开始的温度与大气层中的地球最低温度相当,这表明在自然环境中,大多数冰表面已经处于预融化的无序状态或者准液态。因此,理解地球上与冰相关的各种物理和化学性质,需考虑预融化过程中形成的表面缺陷和亚稳态的作用。“可以说,这些发现开启了冰科学研究的新篇章,将对材料学、摩擦学、生物学、大气科学、星际化学等众多学科领域产生深刻的影响。”江颖说。

(原标题:我科学家首次揭示六角冰表面原子级分辨图像国产扫描探针显微镜提供关键支撑)

(来源:光明日报 作者:晋浩天 责任编辑:曹锐怡)