【科學(xué)·近距離】

光明日?qǐng)?bào)記者 晉浩天

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，“看”清楚冰表面的原子結(jié)構(gòu)，對(duì)于探索生命起源和物質(zhì)來源具有重要意義。

同時(shí)，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(yīng)，并影響眾多自然現(xiàn)象，如臭氧的分解、雷云的帶電等，對(duì)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(shí)驗(yàn)表征手段，人們對(duì)冰表面的了解長(zhǎng)期處于初級(jí)階段。qPlus原子力顯微鏡的出現(xiàn)，讓科學(xué)家首次“看到”冰表面原子結(jié)構(gòu)。

由北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型qPlus原子力顯微鏡，通過探測(cè)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(shè)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(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。為進(jìn)一步探究冰表面預(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－153℃時(shí)就開始融化。

該工作顛覆了人們對(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——－153℃左右，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－70℃左右。考慮到預(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)。

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)還證實(shí)世界上存在“無摩擦”的冰——利用這一設(shè)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(dòng)時(shí)，會(huì)受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運(yùn)不同，在微觀世界里，當(dāng)水通道的尺寸小到幾個(gè)納米甚至亞納米的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生許多有趣的現(xiàn)象。如在納米流體器件中，當(dāng)水分子與石墨烯表面相遇時(shí)，就仿佛進(jìn)入了一個(gè)意想不到的滑冰場(chǎng)。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(yùn)特性，即超潤滑性。

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

這些新發(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。

《光明日?qǐng)?bào)》（2025年01月16日 16版）

來源：光明日?qǐng)?bào)