冰表面长啥样？原子级分辨图像揭晓答案
中国科学家《自然》发文揭示冰表面原子结构和预融化机制
日常生活中，“小心地滑”的警示标志“出镜率”非常高。这让我们不禁思考，“冰面，为何这么滑？”冰面的打滑和水有无联系？冰面之所以这么滑，是因为表面有一层薄薄的水吗？
亦冰亦水的北大未名湖。（课题组供图）
近日，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、王恩哥院士等紧密合作，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。该成果论文于5月22日发表在《自然》期刊。
研究团队发现冰表面在零下153摄氏度就会开始融化，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。《自然》研究简报对该研究成果进行了专题报道。
神秘的冰表面
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。
此外，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，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非常初步的阶段，甚至连一个基本问题——冰的表面结构是什么，也尚未弄清楚。
另外，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、以及冰川的消融过程等至关重要。
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，也是一直以来是人们追求的目标。
多年来，科学家们普遍认为，冰直到温度高于零下70度左右（约200 K），才会出现无序和融化。研究冰表面特性历来依赖光谱分析、电子衍射等谱学技术。
在微观世界中，扫描探针显微镜是我们研究表面结构的最可靠的“眼睛”之一。扫描探针显微镜的探针就像一只单原子大小的手，用这只“手”去触碰表面，就可以得到表面原子级的形貌特征，从而探测表面结构。在扫描探针显微镜家族的众多成员中，“qPlus型扫描探针显微镜”是原子级表面结构探测的佼佼者。
江颖团队成功自主研发qPlus型扫描显微镜国产样机，尤其在降低原子力传感器振幅噪音和提高品质因子方面表现卓越。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。这种技术对探测对象的扰动极小，这对于研究水分子至关重要，因为水分子的氢键网络非常脆弱，容易受到外部干扰。该技术开辟了“原子尺度水科学”的新方向。
这些国产高端科研装备与技术创新，为探索冰及其他材料的微观奥秘提供了新视角和强大手段，有望揭示冰的表面隐藏的复杂结构与独特性质。
170余年来，冰表面结构和预融化层问题悬而未解。冰表面神秘面纱之下隐藏着什么样的世界？如今，有了这只国产“显微之手”，冰的神秘世界不再遥不可及。
国产“显微之手”揭秘
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，随后将相关核心专利转让给北京怀柔中科艾科米公司，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。值得一提的是，国产扫描探针显微镜得到了比进口设备更高质量的数据，为冰表面的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（ice Ih）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。
