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周期性超结构原子力显微镜试验图。

■本报记者 崔雪芹。

生活经历告诉我们，雪天路面容易结冰，人出行要“小心滑”。这种现象不禁让人想:为什么冰这么滑？冰滑与水有关吗？冰这么滑，是因为表面有一层薄薄的水吗？

北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合国家科学中心轻元素量子材料交叉平台江英教授、徐李梅教授、现场专业研究员、王恩哥院士使用自主研发和商业国内qplus扫描探针显微镜，首次获得了自然界最常见的六角形冰表面原子级分辨图像。5月22日，《自然》发表了相关成果。

研究小组不仅发现冰表面在零下153摄氏度开始融化，而且结合理论计算揭示了该过程的微观机制，结束了170多年来关于冰表面预融化的争论。《自然》研究简报专题报道了研究成果。

神秘的冰面。

水是生命之源，而冰作为水的固体形态，在自然界中广泛存在。在星际空间中，被冰覆盖的粉尘颗粒是复杂有机分子产生的关键载体。因此，研究冰表面对探索生命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，人们对冰表面的理解仍处于初级阶段，甚至一个基本问题——冰表面结构是什么还没有弄清楚。

此外，冰表面通常在熔点（0摄氏度）以下的温度下开始融化，这种现象被称为冰的预融化。对冰面的润滑现象、云的形成和使用寿命以及冰川的消融过程等进行研究是非常重要的。

理解预融化层的关键是在实际空间中区分体相冰表面和预融化过程的原子级成像，这也是人们一直追求的目标。

扫描探针显微镜是微观世界中研究表面结构最可靠的“眼睛”之一。扫描显微镜探针就像一只单原子大小的“手”。用这只“手”触摸表面，可以获得表面原子级的形状特征，从而探测表面结构。

江英团队长期致力于高分辨率扫描探针显微镜的独立研发和应用，创新开发了一套基于高级静电的qplus扫描探针技术，率先实现了世界上氢核的成像。2022年，研究小组制备了qplus扫描探针显微镜的定位原型，然后将相关核心专利转让给中科艾科米（北京）科技有限公司，通过校企联合研究，实现了系统的定位。该设备在降低原子力传感器振幅噪声和提高质量因素方面表现出色。值得一提的是，与进口设备相比，国产扫描探针显微镜获得了更高质量的数据，为冰表面结构分析提供了关键支撑。

在这项工作中，研究小组进一步突破了绝缘体表面原位针尖装饰的限制，开发了一种普遍的一氧化碳分子装饰针尖技术，可以实现各种绝缘体表面稳定的原子级分辨成像。该技术对探测对象的干扰很小，适用于水分子研究，因为水分子的氢键网络非常脆弱，容易受到外部干扰。

这些国内高端科研设备和技术创新，为探索冰等材料的微观奥秘提供了新的视角和强大的手段。

揭秘国产“显微之手”。

在过去的170年里，冰表面结构和预融化层的问题一直悬而未决。如今，有了这只国产的“显微之手”，冰的神秘世界已不再遥不可及。

基于本地化设备，研究人员首次获得了自然界中最常见的六角形冰表面的原子级分辨图像，实现了氢键网络的准确识别和氢核分布的准确定位。

研究发现，六角冰的基面有六角密堆积（ih）和立方密堆积（ic）两种堆叠方式不同于以往普遍认为只存在ih堆叠方式的理想冰表面。通过水分子五、八元环缺陷连接，ih和ic晶类在纳米尺度上实现无缝层堆叠。研究人员通过精确控制冰的生长温度和气压，在冰表面发现了一种长期有序的周期性超级结构，其中ic和ih纳米晶体分类交替排列。

研究人员发现，这种独特的氢键网络结构可以显著降低冰表面悬挂氢核之间的静电排斥能，从而使其比理想的冰表面更加稳定。这一突破性发现刷新了人们对冰表面的传统认知，结束了对冰表面结构和氢序的长期争论。

多年来，科学家普遍认为，冰会无序和融化，直到温度高于零下70摄氏度。为了进一步探索冰表面的预融化过程，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摄氏度时开始融化。融化初期，原本长程有序的超结构开始出现不同大小的晶类。随着生长温度的进一步升高，冰表面的超结构序完全消失。

与此同时，在类界附近，出现了大面积的表面无序，这些区域中经常可以观察到一种局部的平面团簇结构。理论计算表明，该结构是一种亚稳态，其形成过程涉及表面水分子层氢键网络的调整和层间氢键的断裂，导致大面积表面混乱。这种结构在冰表面的初始预融化过程中起着关键作用。

对许多学科领域有着深远的影响。

这项工作颠覆了人们长期以来对冰表面结构和预融化机制的传统认知。冰表面重建引入的高密度分布的范畴促进了预融化的发生，使冰表面在极低温度下变得无序。这种现象产生的温度远低于以往研究普遍认为的预融化的起始温度。考虑到预融化的初始温度相当于大气中地球的最低温度，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准液体。

因此，需要考虑预融化过程中形成的表面缺陷和亚稳态的作用，才能了解地球上与冰有关的各种物理化学性质。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、星际化学等学科产生深远的影响。

这项工作得到了《自然》三位审稿人的高度认可和赞赏。他们说，这是多年来最令人印象深刻和完整的论文之一，肯定了qplus原子力显微镜在冰表面研究中的创新应用和前所未有的分辨率，并指出探索冰表面的微观结构和预融化过程具有广泛的意义。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07427-8。