北京大學重磅Nature，揭示冰表面結構和預融化機制！

一、【科學背景】

水是地球上最常見的物質之一，被譽為生命之源。，作為水的固體存在形式，冰的表面面與許多物理和化學性質密切相關，如融化、凝固、摩擦、氣體吸收和大氣反應。此外，冰表面常在低于其熔點（0℃）的溫度下開始融化，這一現象稱為冰的預融化。盡管進行了廣泛的實驗和理論研究，但由于缺乏原子尺度的實驗表征手段，我們對冰表面的了解仍處于非常初步的階段，甚至連一個基本問題—冰的表面結構是什么，也尚不清楚。

二、【創新成果】

基于此，北京大學田野特聘研究員、徐莉梅教授、王恩哥院士、江穎教授等人聯合在Nature發表了題為“Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution”的研究論文，報道了利用自主研發并商業化的國產qPlus型掃描探針顯微鏡，首次獲得自然界最常見的六邊形冰（冰Ih）表面的原子級分辨圖像。研究團隊發現，隨著溫度的升高，冰表面逐漸變得無序，在零下153℃就會開始融化，并結合理論計算揭示了該過程的微觀機制，結束了有關冰表面預融化問題長達170多年的爭論，并揭示了冰預融的分子起源，這可能導致對冰物理和化學理解的范式轉變。?

圖1 ?六角冰（0001）表面Ih和Ic晶疇之間的邊界結構 ? 2024 Springer Nature

圖2 ?重建冰面上的周期性超結構 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?不同冰面相的形成能與序參量S_OH的關系 ? 2024 Springer Nature

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圖4 ?冰表面預融化的開始 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上所述，研究人員利用國產qPlus型掃描探針顯微鏡直接可視化了冰表面結構有序-無序轉變的細節，為冰預融化的起源和機制提供了不同的分子視角。缺陷Ih和Ic邊界的內在存在以及冰表面上的PLS可能在相變、吸附、表面反應以及冰的成核和生長中起著不可或缺的作用。此外，本研究獲得的知識也有助于理解冰面上準液體層的形成和結構，這為未來探索冰面的詳細相圖提供了機會。

原文詳情：Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07427-8)

本文由大兵哥供稿。