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本报北京5月22日电（记者晋浩天）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。