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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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冰表面長(zhǎng)啥樣？原子級(jí)分辨圖像揭曉答案
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冰表面長(zhǎng)啥樣？原子級(jí)分辨圖像揭曉答案 中國科學(xué)家《自然》發(fā)文揭示冰表面原子結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制 日常生活中，“小心地滑”的警示標(biāo)志“出鏡率”非常高。這讓我們不禁思考，“冰面，為何這么滑？”冰面的打滑和水有無聯(lián)系？冰面之所以這么滑，是因?yàn)楸砻嬗幸粚颖”〉乃畣幔?br /> 亦冰亦水的北大未名湖。（課題組供圖） 近日，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺(tái)江穎教授、徐莉梅教授、田野特聘研究員、王恩哥院士等緊密合作，利用自主研發(fā)并商業(yè)化的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，首次獲得了自然界最常見的六角冰表面的原子級(jí)分辨圖像。該成果論文于5月22日發(fā)表在《自然》期刊。 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153攝氏度就會(huì)開始融化，并結(jié)合理論計(jì)算揭示了該過程的微觀機(jī)制，結(jié)束了有關(guān)冰表面預(yù)融化問題長(zhǎng)達(dá)170多年的爭(zhēng)論�！蹲匀弧费芯亢�(jiǎn)報(bào)對(duì)該研究成果進(jìn)行了專題報(bào)道。 神秘的冰表面 水是生命之源，而冰作為水重要的固體形態(tài)，廣泛存在于自然界中。 此外，在星際空間中，被冰覆蓋的塵埃顆粒是復(fù)雜有機(jī)分子生成的關(guān)鍵載體，因此，冰表面的研究對(duì)探索生命起源和物質(zhì)來源具有重要意義。然而，由于缺乏原子尺度的實(shí)驗(yàn)表征手段，我們對(duì)冰表面的了解仍處于非常初步的階段，甚至連一個(gè)基本問題——冰的表面結(jié)構(gòu)是什么，也尚未弄清楚。 另外，冰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)象對(duì)于理解冰面的潤(rùn)滑現(xiàn)象、云的形成與壽命、以及冰川的消融過程等至關(guān)重要。 在實(shí)空間中對(duì)體相冰表面和預(yù)融化過程進(jìn)行原子級(jí)分辨成像，是理解預(yù)融化層的關(guān)鍵，也是一直以來是人們追求的目標(biāo)。 多年來，科學(xué)家們普遍認(rèn)為，冰直到溫度高于零下70度左右（約200 K），才會(huì)出現(xiàn)無序和融化。研究冰表面特性歷來依賴光譜分析、電子衍射等譜學(xué)技術(shù)。 在微觀世界中，掃描探針顯微鏡是我們研究表面結(jié)構(gòu)的最可靠的“眼睛”之一。掃描探針顯微鏡的探針就像一只單原子大小的手，用這只“手”去觸碰表面，就可以得到表面原子級(jí)的形貌特征，從而探測(cè)表面結(jié)構(gòu)。在掃描探針顯微鏡家族的眾多成員中，“qPlus型掃描探針顯微鏡”是原子級(jí)表面結(jié)構(gòu)探測(cè)的佼佼者。 江穎團(tuán)隊(duì)成功自主研發(fā)qPlus型掃描顯微鏡國產(chǎn)樣機(jī)，尤其在降低原子力傳感器振幅噪音和提高品質(zhì)因子方面表現(xiàn)卓越。開發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對(duì)各種絕緣體表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子級(jí)分辨成像。這種技術(shù)對(duì)探測(cè)對(duì)象的擾動(dòng)極小，這對(duì)于研究水分子至關(guān)重要，因?yàn)樗肿拥臍滏I網(wǎng)絡(luò)非常脆弱，容易受到外部干擾。該技術(shù)開辟了“原子尺度水科學(xué)”的新方向。 這些國產(chǎn)高端科研裝備與技術(shù)創(chuàng)新，為探索冰及其他材料的微觀奧秘提供了新視角和強(qiáng)大手段，有望揭示冰的表面隱藏的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與獨(dú)特性質(zhì)。 170余年來，冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化層問題懸而未解。冰表面神秘面紗之下隱藏著什么樣的世界？如今，有了這只國產(chǎn)“顯微之手”，冰的神秘世界不再遙不可及。 國產(chǎn)“顯微之手”揭秘 江穎課題組長(zhǎng)期致力于高分辨掃描探針顯微鏡的自主研發(fā)和應(yīng)用，創(chuàng)新性發(fā)展出了一套基于高階靜電力的qPlus掃描探針技術(shù)，并在國際上率先實(shí)現(xiàn)氫核的成像。2022年，課題組完成了qPlus型掃描探針顯微鏡的國產(chǎn)化樣機(jī)，隨后將相關(guān)核心專利轉(zhuǎn)讓給北京懷柔中科艾科米公司，通過校企聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的整機(jī)國產(chǎn)化。 在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步突破了絕緣體表面無法進(jìn)行原位針尖修飾的限制，開發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對(duì)各種絕緣體表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子級(jí)分辨成像。值得一提的是，國產(chǎn)掃描探針顯微鏡得到了比進(jìn)口設(shè)備更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為冰表面的結(jié)構(gòu)解析提供了關(guān)鍵支撐。基于該國產(chǎn)化設(shè)備，研究人員首次得到了自然界最常見的六角冰（ice Ih）表面的原子級(jí)分辨圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面氫鍵網(wǎng)絡(luò)的精確識(shí)別和氫核分布的精準(zhǔn)定位。 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。 為了進(jìn)一步探究冰表面的預(yù)融化過程，研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)的變溫生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153 ℃（120 K）時(shí)就開始融化。在融化初期，原本長(zhǎng)程有序的超結(jié)構(gòu)中局部開始出現(xiàn)大小不一的晶疇。隨著生長(zhǎng)溫度的進(jìn)一步升高，冰表面的超結(jié)構(gòu)序完全消失。 與此同時(shí)，在疇界附近，出現(xiàn)了大面積的表面無序，這些區(qū)域中經(jīng)�？梢杂^察到一種局域的平面化團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，該結(jié)構(gòu)是一種亞穩(wěn)態(tài)，其形成過程涉及到表面水分子層內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和層間氫鍵的斷裂，從而引起大面積的表面無序。在冰表面的初期預(yù)融化過程中，這種結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵作用。 深刻影響諸多學(xué)科領(lǐng)域 該工作顛覆了長(zhǎng)期以來人們對(duì)冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。冰表面重構(gòu)所引入的高密度分布的疇界，促進(jìn)了預(yù)融化的發(fā)生，使得冰表面在極低的溫度（120 K）下就開始變得無序，這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)低于之前研究普遍認(rèn)為的預(yù)融化起始溫度（大于200 K）�？紤]到預(yù)融化開始的溫度與大氣層中的地球最低溫度相當(dāng)，這表明在自然環(huán)境中，大多數(shù)冰表面已經(jīng)處于預(yù)融化的無序狀態(tài)或者準(zhǔn)液態(tài)。 因此，理解地球上與冰相關(guān)的各種物理和化學(xué)性質(zhì)，需考慮預(yù)融化過程中形成的表面缺陷和亞穩(wěn)態(tài)的作用。這些發(fā)現(xiàn)開啟了冰科學(xué)研究的新篇章，將對(duì)材料學(xué)、摩擦學(xué)、生物學(xué)、大氣科學(xué)、星際化學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響。 該工作得到了《自然》3位審稿人的高度認(rèn)可和贊賞。他們表示，這是多年來閱讀過的最令人印象深刻且完整的論文之一，肯定了qPlus型原子力顯微鏡在冰表面研究的創(chuàng)新性應(yīng)用和前所未有的分辨率，采用qPlus型低溫原子力顯微鏡技術(shù)對(duì)冰表面進(jìn)行原子級(jí)成像是一項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新，所獲得的分辨率在冰表面成像中是前所未有的，同時(shí)指出，能夠探究冰表面的微觀結(jié)構(gòu)和預(yù)融化過程具有廣泛意義。 他們表示，這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07427-8 |
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