IT之家 5 月 23 日消息，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。
冰表面的研究對(duì)探索生命起源和物質(zhì)來(lái)源具有重要意義，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(diǎn)（0 ℃）的溫度下開始融化，這一現(xiàn)象稱為冰的預(yù)融化。
預(yù)融化現(xiàn)象有利于人類了解冰面的潤(rùn)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(guó)際研究目前普遍認(rèn)為，冰表面發(fā)生預(yù)融化的溫度在零下 70 攝氏度以上。
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(rèn)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫的層內(nèi)堆疊。
通過精確控制冰的生長(zhǎng)溫度與氣壓，研究人員在冰表面發(fā)現(xiàn)了一種長(zhǎng)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(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)這種獨(dú)特的氫鍵網(wǎng)絡(luò)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(duì)冰表面的傳統(tǒng)認(rèn)知，結(jié)束了關(guān)于冰表面結(jié)構(gòu)及氫序的長(zhǎng)期爭(zhēng)論。
據(jù)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)。
輕元素平臺(tái)負(fù)責(zé)人江穎教授表示：“我們通過變溫實(shí)驗(yàn)，首次在原子尺度上‘看到’冰表面預(yù)融化的過程，發(fā)現(xiàn)其在零下 153 攝氏度時(shí)就開始融化，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程等至關(guān)重要”。
IT之家附論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07427-8
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。