综合新华社电、中新网报道 冰的表面结构如何，何时开始融化、如何融化？这些问题困扰科学界已久。由北京大学物理学院、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台（简称轻元素平台）组成的研究团队，利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，在国际上首次“看到”冰表面的原子结构，并揭示其在零下153摄氏度即开始融化的奥秘，结束了有关冰表面预融化问题长达170多年的争论。

　　相关成果22日晚发表于国际学术期刊《自然》上。多位审稿人评论称，对冰表面进行原子级成像是重要的技术创新，所获得的分辨率在冰表面成像中“前所未有”，这些发现可能对大气科学、材料科学等多个领域产生深远影响。

　　成果1 得到冰表面原子级分辨率图像

　　水是生命之源，而冰作为水重要的固体形态，广泛存在于自然界中。此外，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，冰表面的研究对探索生命起源和物质来源具有重要意义。但因缺乏原子尺度实验工具，科学界对冰表面结构的基本问题一直未有明确解答。

　　在该研究中，团队创新性发展出了一套基于高阶静电力的qPlus扫描探针技术，并在国际上率先实现氢核的成像。此外，团队进一步突破了绝缘体表面无法进行原位针尖修饰的限制，开发了一种通用的一氧化碳分子修饰针尖技术，可对各种绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像。“国产扫描探针显微镜得到了比进口设备更高质量的数据，为冰表面结构解析提供了关键支撑。基于该国产化设备，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率图像，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。”

　　探测发现，冰表面结构同时存在六角密堆积和立方密堆积两种排列方式，且拼接堆砌形成稳定的网络结构。

　　成果2 揭示冰表面预融化机制

　　研究还揭示了冰表面预融化机制。冰表面常在低于零摄氏度下开始融化，该现象被称为冰的预融化。轻元素平台负责人、北京大学物理学院江颖教授介绍，受研究工具所限，科学界一直无法获得准确原子尺度信息，围绕冰表面结构和预融化机制的争论因此持续了170多年。国际研究普遍认为，冰表面发生预融化的温度在零下70摄氏度以上。

　　“我们通过变温实验，首次在原子尺度上‘看到’冰表面预融化的过程，发现其在零下153摄氏度时就开始融化。”江颖说，这对理解冰面的润滑现象、云的形成及冰川的消融过程等至关重要。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准液态。因此，理解地球上与冰相关的各种物理和化学性质，需考虑预融化过程中形成的表面缺陷和亚稳态的作用。

　　轻元素平台理事长王恩哥表示，这项工作刷新了长期以来人们对冰表面结构和预融化机制的传统认知，为冰科学研究打开了新的原子尺度视角。

　　同步

　　扫描探针显微镜

　　扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜基础上发展起来的各种新型探针显微镜的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器。扫描探针显微镜综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果，是光、机、电一体化的高科技产品。

　　国产高分辨率扫描探针显微镜进入商业化应用

　　据新华社电 扫描探针显微镜是探索微观世界的核心设备，由我国自主研发的qPlus型扫描探针显微镜已进入国产商业化应用。这款扫描探针显微镜具有“原子级”空间分辨率和高敏感度，将为探索轻元素量子材料及其他材料的微观奥秘提供新的视角和工具。

　　22日，北京市交叉研究平台项目——轻元素量子材料交叉平台揭牌启动仪式在北京怀柔科学城举行。仪式上发布了这一消息。

　　扫描探针显微镜是利用尖锐的针尖逐点扫描样品，在原子、分子或纳米尺度上获取物质表面的形貌和丰富的物性。北京大学江颖团队多年来专注于发展超高灵敏度和超高分辨率的扫描探针探测技术，成功研发了具有自主知识产权的新型扫描探针显微镜。

　　据介绍，基于高灵敏度qPlus传感器的扫描探针显微镜技术可探测到极其微弱的高阶静电力，并首次实现了水分子中氢原子的直接成像和定位。实验数据显示，其在空间分辨率和灵敏度等方面的核心参数达到国际领先水平。借助此技术，团队现已解决凝聚态物理和物理化学领域系列基础科学问题，相关研究成果多次发表于国际学术期刊《科学》《自然》杂志。

　　该团队2022年成功研制出qPlus型扫描探针显微镜国产化样机。目前，通过校企联合攻关，突破多项技术瓶颈，已实现样机的国产商业化。