北京大学重磅Nature，揭示冰表面结构和预融化机制！

一、【科学背景】

水是地球上最常见的物质之一，被誉为生命之源。，作为水的固体存在形式，冰的表面面与许多物理和化学性质密切相关，如融化、凝固、摩擦、气体吸收和大气反应。此外，冰表面常在低于其熔点（0℃）的温度下开始融化，这一现象称为冰的预融化。尽管进行了广泛的实验和理论研究，但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，也尚不清楚。

二、【创新成果】

基于此，北京大学田野特聘研究员、徐莉梅教授、王恩哥院士、江颖教授等人联合在Nature发表了题为“Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution”的研究论文，报道了利用自主研发并商业化的国产qPlus型扫描探针显微镜，首次获得自然界最常见的六边形冰（冰Ih）表面的原子级分辨图像。研究团队发现，随着温度的升高，冰表面逐渐变得无序，在零下153℃就会开始融化，并结合理论计算揭示了该过程的微观机制，结束了有关冰表面预融化问题长达170多年的争论，并揭示了冰预融的分子起源，这可能导致对冰物理和化学理解的范式转变。

图1六角冰（0001）表面Ih和Ic晶畴之间的边界结构© 2024 Springer Nature

图2重建冰面上的周期性超结构© 2024 Springer Nature

图3不同冰面相的形成能与序参量S_OH的关系© 2024 Springer Nature

图4冰表面预融化的开始© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上所述，研究人员利用国产qPlus型扫描探针显微镜直接可视化了冰表面结构有序-无序转变的细节，为冰预融化的起源和机制提供了不同的分子视角。缺陷Ih和Ic边界的内在存在以及冰表面上的PLS可能在相变、吸附、表面反应以及冰的成核和生长中起着不可或缺的作用。此外，本研究获得的知识也有助于理解冰面上准液体层的形成和结构，这为未来探索冰面的详细相图提供了机会。

原文详情：Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution(Nature2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07427-8)

本文由大兵哥供稿。