冰表面在－153℃时就开始融化

  【科学·近距离】 

  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，“看”清楚冰表面的原子结构，对于探索生命起源和物质来源具有重要意义。

  同时，冰广泛存在于自然界中。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，并影响众多自然现象，如臭氧的分解、雷云的带电等，对冰的研究也有助于破解这些自然奥秘。

  然而，由于缺乏原子尺度的实验表征手段，人们对冰表面的了解长期处于初级阶段。qPlus原子力显微镜的出现，让科学家首次“看到”冰表面原子结构。

  由北京大学团队研发的具有自主知识产权的新型qPlus原子力显微镜，通过探测极其微弱的高阶静电力，在国际上首次“看到”冰表面的原子结构，并揭示其在－153摄氏度即开始融化的奥秘。（编者注：这里所说的融化，并不是我们日常生活中所说的冰融化成水，而是指分子层面的改变。）

  利用这一设备，研究人员首次得到了自然界最常见的六角冰表面的原子级分辨图像，实现了对表面氢键网络的精确识别和氢核分布的精准定位。为进一步探究冰表面预融化过程，研究人员进行了系统的变温生长实验，发现冰表面在－153℃时就开始融化。

  该工作颠覆了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畴界，促进了预融化的发生，使得冰表面在极低的温度——－153℃左右，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－70℃左右。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。

  北京大学团队还证实世界上存在“无摩擦”的冰——利用这一设备，他们首次发现二维冰在石墨烯表面上的超润滑行为，澄清了低维受限条件下超快水传输特性的根源。

  在传统观念中，液体在固体表面流动时，会受到摩擦力的阻碍。与宏观世界中水的输运不同，在微观世界里，当水通道的尺寸小到几个纳米甚至亚纳米的时候，会产生许多有趣的现象。如在纳米流体器件中，当水分子与石墨烯表面相遇时，就仿佛进入了一个意想不到的滑冰场。这些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力几乎为零，展现出了超乎寻常的无摩擦输运特性，即超润滑性。

  这样的研究为低维受限水输运中结构超润滑现象提供了首个确凿的实验证据，揭示了其不同于传统超润滑体系的微观机理。这些发现告诉我们，纳米通道中的水流不再是简单的液体流，而是可能形成类冰的超润滑输运。这不仅有助于我们理解受限体系中水的超快输运，而且将进一步激励新型超润滑和纳米流体系统的未来探索与实际应用。

  这些新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。

  （本报记者 晋浩天）