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我科學家首次揭示六角冰表面原子級分辨圖像

2024-05-23 13:52

來源:光明日報

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【科技前沿】

我科學家首次揭示六角冰表面原子級分辨圖像

國産掃描探針顯微鏡提供關鍵支撐

光明日報北京5月22日電(記者晉浩天)北京大學物理學院量子材料科學中心、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺江穎教授、徐莉梅教授、田野特聘研究員、王恩哥院士等合作,利用自主研發並商業化的國産qPlus型掃描探針顯微鏡,首次獲得了自然界最常見的六角冰表面的原子級分辨圖像。研究團隊發現冰表面在零下153℃就會開始融化,並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。這項研究成果5月22日以《冰表面結構和預融化過程的原子分辨成像》為題發表于《自然》。《自然》研究簡報欄目還對該研究成果進行了專題報道。

“水是生命之源,而冰作為水重要的固體形態,廣泛存在於自然界中。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,並影響眾多自然現象,如冰的形成、臭氧的分解、雷雲的帶電等。在星際空間中,被冰覆蓋的塵埃顆粒是複雜有機分子生成的關鍵載體。”江穎説,因此,冰表面的研究對探索生命起源和物質來源具有重要意義。然而,由於缺乏原子尺度的實驗表徵手段,我們對冰表面的了解仍處於初級階段,甚至連基本問題——冰的表面結構是什麼,尚未弄清楚。

此外,冰表面常在低於其熔點(0℃)的溫度下開始融化,這一現象稱為冰的預融化。預融化現象對於理解冰面的潤滑現象、雲的形成與壽命、冰川消融過程等至關重要。田野介紹,自從19世紀中期,法拉第首次提出預融化層的概念以來,圍繞其結構和機制的爭論已經持續了170多年。這種持續爭論的原因在於,相關研究主要依賴譜學手段,而這些手段受到衍射極限的限制,無法得到準確的原子尺度資訊。因此,在實空間中對體相冰表面和預融化過程進行原子級分辨成像,是理解預融化層的關鍵。

江穎課題組長期致力於高分辨掃描探針顯微鏡的自主研發和應用,創新性發展出了一套基於高階靜電力的qPlus掃描探針技術,並在國際上率先實現氫核的成像。2022年,課題組完成了qPlus型掃描探針顯微鏡的國産化樣機,隨後通過校企聯合攻關,實現了該系統的整機國産化。在本工作中,研究團隊進一步突破了絕緣體表面無法進行原位針尖修飾的限制,開發了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術,可對各種絕緣體表面實現穩定的原子級分辨成像。“國産掃描探針顯微鏡得到了比進口設備更高品質的數據,為冰表面結構解析提供了關鍵支撐。基於該國産化設備,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,實現了對表面氫鍵網路的精確識別和氫核分佈的精準定位。”江穎説。

為進一步探究冰表面預融化過程,研究人員進行了系統的變溫生長實驗,發現冰表面在零下153℃時就開始融化。該工作顛覆了長期以來人們對冰表面結構和預融化機制的傳統認識。冰表面重構所引入的高密度分佈疇界,促進了預融化的發生,使得冰表面在極低的溫度(零下153℃左右)下就開始變得無序,這個現象産生的溫度遠低於之前研究普遍認為的零下70℃左右。考慮到預融化開始的溫度與大氣層中的地球最低溫度相當,這表明在自然環境中,大多數冰表面已經處於預融化的無序狀態或者準液態。因此,理解地球上與冰相關的各種物理和化學性質,需考慮預融化過程中形成的表面缺陷和亞穩態的作用。“可以説,這些發現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産生深刻的影響。”江穎説。

《光明日報》(2024年05月23日 15版)


【責任編輯:尤自秀】
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