揭秘冰表面原子结构和预融化机制
揭秘冰表面原子结构和预融化机制
冰，作为自然界中最常见的物质之一，其表面结构和融化机制一直是科学界的谜题。近日，北京大学研究团队利用自主研发的国产扫描探针显微镜，首次获得了六角冰表面的原子级分辨图像，并揭示了冰表面在极低温度下就开始预融化的微观机制，这一发现不仅解决了困扰科学界170多年的难题，还为多个学科领域的研究开辟了新方向。
冰表面的神秘面纱
水是生命之源，而冰作为水的重要固体形态，广泛存在于自然界中。全球冰川面积约占陆地面积的十分之一，且近半数的地表上空被含有大量冰晶的云层所覆盖。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，并影响着众多自然现象，如：冰的形成、臭氧的分解、雷云的带电等。此外，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，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非常初步的阶段，甚至连一个基本问题——冰的表面结构是什么，也尚未弄清楚。
揭开冰表面的神秘面纱
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团队，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。研究团队发现六角冰的基面存在六角密堆积（Ih）和立方密堆积（Ic）两种堆叠方式，不同于过去普遍认为的只存在Ih一种堆叠方式的理想冰表面。Ih和Ic晶畴通过水分子五、八元环缺陷连接，在纳米尺度上实现无缝的层内堆叠。通过精确控制冰的生长温度与气压，研究人员在冰表面发现了一种长程有序的周期性超结构，其中大小规则的Ic和Ih纳米晶畴交替排列。
图2：冰表面的Ih和Ic晶畴的原子力显微镜实验图（a），对应的结构模型示意图（b），以及周期性超结构的原子力显微镜实验图（c）。
捕捉预融化的微观过程
为了进一步探究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（120 K）时就开始融化。在融化初期，原本长程有序的超结构中局部开始出现大小不一的晶畴。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，在畴界附近，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域的平面化团簇结构。理论计算表明，该结构是一种亚稳态，其形成过程涉及到表面水分子层内氢键网络的调整和层间氢键的断裂，从而引起大面积的表面无序。在冰表面的初期预融化过程中，这种结构起到了关键作用。
图3：随着温度升高冰表面预融化过程的原子级分辨成像。
意义和展望
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的畴界，促进了预融化的发生，使得冰表面在极低的温度（120 K）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200 K。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。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。
这项研究得到了Nature三位审稿人的高度认可和赞赏，认为这是多年来阅读过的最令人印象深刻且完整的论文之一，同时指出能够探究冰表面的微观结构和预融化过程具有广泛意义。
本文原文来自科学网