【科學·近距離】

　　在星際空間中，被冰覆蓋的塵埃顆粒是復雜有機分子生成的關鍵載體，因此，“看”清楚冰表面的原子結構，對于探索生命起源和物質來源具有重要意義。

　　同時，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，并影響眾多自然現象，如臭氧的分解、雷云的帶電等，對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驗表征手段，人們對冰表面的了解長期處于初級階段。qPlus原子力顯微鏡的出現，讓科學家首次“看到”冰表面原子結構。

　　由北京大學團隊研發的具有自主知識產權的新型qPlus原子力顯微鏡，通過探測極其微弱的高階靜電力，在國際上首次“看到”冰表面的原子結構，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，并不是我們日常生活中所說的冰融化成水，而是指分子層面的改變。）

　　利用這一設備，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絡的精確識別和氫核分布的精準定位。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－153℃時就開始融化。

　　該工作顛覆了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布疇界，促進了預融化的發生，使得冰表面在極低的溫度——－153℃左右，就開始變得無序，這個現象產生的溫度遠低于之前研究普遍認為的－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于預融化的無序狀態或者準液態。

　　北京大學團隊還證實世界上存在“無摩擦”的冰——利用這一設備，他們首次發現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。

　　在傳統觀念中，液體在固體表面流動時，會受到摩擦力的阻礙。與宏觀世界中水的輸運不同，在微觀世界里，當水通道的尺寸小到幾個納米甚至亞納米的時候，會產生許多有趣的現象。如在納米流體器件中，當水分子與石墨烯表面相遇時，就仿佛進入了一個意想不到的滑冰場。這些水分子在石墨烯表面滑行自如，摩擦力幾乎為零，展現出了超乎尋常的無摩擦輸運特性，即超潤滑性。

　　這樣的研究為低維受限水輸運中結構超潤滑現象提供了首個確鑿的實驗證據，揭示了其不同于傳統超潤滑體系的微觀機理。這些發現告訴我們，納米通道中的水流不再是簡單的液體流，而是可能形成類冰的超潤滑輸運。這不僅有助于我們理解受限體系中水的超快輸運，而且將進一步激勵新型超潤滑和納米流體系統的未來探索與實際應用。

　　這些新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產生深刻的影響。

　　（本報記者 晉浩天）