中國科學家首次“看到”冰表麵原子結構並揭示其融化奧秘

冰的表麵結構如何，何時開始融化、如何融化？這些問題困擾科學界已久。由北京大學物理學院、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平台（簡稱輕元素平台）組成的研究團隊，利用自主研發的國產qPlus型掃描探針顯微鏡，在國際上首次“看到”冰表麵的原子結構，並揭示其在零下153攝氏度即開始融化的奧秘。該成果22日晚發表於國際學術期刊《自然》上。

冰表麵是多種自然現象和大氣反應發生的重要媒介，對冰的形成、大氣平流層中臭氧分解及雷雲帶電現象等均具有顯著影響。但因缺乏原子尺度實驗工具，科學界對冰表麵結構的基本問題一直未有明確解答。輕元素平台特聘研究員田野介紹，團隊利用qPlus型掃描探針顯微鏡，開發出可分辨氫原子和化學鍵的成像技術，實現冰表麵水分子氫鍵網絡的精確識別和氫原子分布的精準定位。探測發現，冰表麵結構同時存在六角密堆積和立方密堆積兩種排列方式，且拚接堆砌形成穩定的網絡結構。

研究還揭示了冰表麵預融化機製。冰表麵常在低於零攝氏度下開始融化，該現象被稱為冰的預融化。輕元素平台負責人江穎教授介紹，受研究工具所限，科學界一直無法獲得準確原子尺度信息，圍繞冰表麵結構和預融化機製的爭論因此持續了170多年。國際研究普遍認為，冰表麵發生預融化的溫度在零下70攝氏度以上。

“我們通過變溫實驗，首次在原子尺度上‘看到’冰表麵預融化的過程，發現其在零下153攝氏度時就開始融化。”江穎說，這對理解冰麵的潤滑現象、雲的形成及冰川的消融過程等至關重要。

中國科學院院士、輕元素平台理事長王恩哥表示，這項工作刷新了長期以來人們對冰表麵結構和預融化機製的傳統認知，為冰科學研究打開了新的原子尺度視角。

《自然》對該研究進行專題報道。多位審稿人評論稱，團隊對冰表麵進行原子級成像是重要的技術創新，所獲得的分辨率在冰表麵成像中“前所未有”，這些發現可能對大氣科學、材料科學等多個領域產生深遠影響。