【科學·近距離】

　　光明日報記者 晉浩天

　　在星際空間中，被冰覆蓋的塵埃顆粒是復雜有機分子生成的關鍵載體，因此，“看”清楚冰表面的原子結(jié)構(gòu)，對于探索生命起源和物質(zhì)來源具有重要意義。

　　同時，冰廣泛存在于自然界中。作為自然界中最普遍的表面之一，冰面承載著多種重要的大氣反應，并影響眾多自然現(xiàn)象，如臭氧的分解、雷云的帶電等，對冰的研究也有助于破解這些自然奧秘。

　　然而，由于缺乏原子尺度的實驗表征手段，人們對冰表面的了解長期處于初級階段。qPlus原子力顯微鏡的出現(xiàn)，讓科學家首次“看到”冰表面原子結(jié)構(gòu)。

　　由北京大學團隊研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的新型qPlus原子力顯微鏡，通過探測極其微弱的高階靜電力，在國際上首次“看到”冰表面的原子結(jié)構(gòu)，并揭示其在－153攝氏度即開始融化的奧秘。（編者注：這里所說的融化，并不是我們?nèi)粘Ｉ钪兴f的冰融化成水，而是指分子層面的改變。）

　　利用這一設備，研究人員首次得到了自然界最常見的六角冰表面的原子級分辨圖像，實現(xiàn)了對表面氫鍵網(wǎng)絡的精確識別和氫核分布的精準定位。為進一步探究冰表面預融化過程，研究人員進行了系統(tǒng)的變溫生長實驗，發(fā)現(xiàn)冰表面在－153℃時就開始融化。

　　該工作顛覆了人們對冰表面結(jié)構(gòu)和預融化機制的傳統(tǒng)認識。冰表面重構(gòu)所引入的高密度分布疇界，促進了預融化的發(fā)生，使得冰表面在極低的溫度——－153℃左右，就開始變得無序，這個現(xiàn)象產(chǎn)生的溫度遠低于之前研究普遍認為的－70℃左右?？紤]到預融化開始的溫度與大氣層中的地球最低溫度相當，這表明在自然環(huán)境中，大多數(shù)冰表面已經(jīng)處于預融化的無序狀態(tài)或者準液態(tài)。

　　北京大學團隊還證實世界上存在“無摩擦”的冰——利用這一設備，他們首次發(fā)現(xiàn)二維冰在石墨烯表面上的超潤滑行為，澄清了低維受限條件下超快水傳輸特性的根源。

　　在傳統(tǒng)觀念中，液體在固體表面流動時，會受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運不同，在微觀世界里，當水通道的尺寸小到幾個納米甚至亞納米的時候，會產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。如在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時，就仿佛進入了一個意想不到的滑冰場。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現(xiàn)出了超乎尋常的無摩擦輸運特性，即超潤滑性。

　　這樣的研究為低維受限水輸運中結(jié)構(gòu)超潤滑現(xiàn)象提供了首個確鑿的實驗證據(jù)，揭示了其不同于傳統(tǒng)超潤滑體系的微觀機理。這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，納米通道中的水流不再是簡單的液體流，而是可能形成類冰的超潤滑輸運。這不僅有助于我們理解受限體系中水的超快輸運，而且將進一步激勵新型超潤滑和納米流體系統(tǒng)的未來探索與實際應用。

　　這些新發(fā)現(xiàn)開啟了冰科學研究的新篇章，將對材料學、摩擦學、生物學、大氣科學、星際化學等眾多學科領域產(chǎn)生深刻的影響。

　　《光明日報》（2025年01月16日 16版）

[責編：丁玉冰 ]

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