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我國科學(xué)家首次“看到”冰表面原子結(jié)構(gòu)并揭示其融化奧秘
2024年05月23日 10:36 來源:新華網(wǎng) 關(guān)燈

新華社北京5月23日電(記者魏夢(mèng)佳)冰的表面結(jié)構(gòu)如何,何時(shí)開始融化、如何融化?這些問題困擾科學(xué)界已久。由北京大學(xué)物理學(xué)院、北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺(tái)(簡稱輕元素平臺(tái))組成的研究團(tuán)隊(duì),利用自主研發(fā)的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡,在國際上首次“看到”冰表面的原子結(jié)構(gòu),并揭示其在零下153攝氏度即開始融化的奧秘。該成果22日晚發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

冰表面是多種自然現(xiàn)象和大氣反應(yīng)發(fā)生的重要媒介,對(duì)冰的形成、大氣平流層中臭氧分解及雷云帶電現(xiàn)象等均具有顯著影響。但因缺乏原子尺度實(shí)驗(yàn)工具,科學(xué)界對(duì)冰表面結(jié)構(gòu)的基本問題一直未有明確解答。輕元素平臺(tái)特聘研究員田野介紹,團(tuán)隊(duì)利用qPlus型掃描探針顯微鏡,開發(fā)出可分辨氫原子和化學(xué)鍵的成像技術(shù),實(shí)現(xiàn)冰表面水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)的精確識(shí)別和氫原子分布的精準(zhǔn)定位。探測(cè)發(fā)現(xiàn),冰表面結(jié)構(gòu)同時(shí)存在六角密堆積和立方密堆積兩種排列方式,且拼接堆砌形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

研究還揭示了冰表面預(yù)融化機(jī)制。冰表面常在低于零攝氏度下開始融化,該現(xiàn)象被稱為冰的預(yù)融化。輕元素平臺(tái)負(fù)責(zé)人江穎教授介紹,受研究工具所限,科學(xué)界一直無法獲得準(zhǔn)確原子尺度信息,圍繞冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制的爭論因此持續(xù)了170多年。國際研究普遍認(rèn)為,冰表面發(fā)生預(yù)融化的溫度在零下70攝氏度以上。

“我們通過變溫實(shí)驗(yàn),首次在原子尺度上‘看到’冰表面預(yù)融化的過程,發(fā)現(xiàn)其在零下153攝氏度時(shí)就開始融化?!苯f說,這對(duì)理解冰面的潤滑現(xiàn)象、云的形成及冰川的消融過程等至關(guān)重要。

中國科學(xué)院院士、輕元素平臺(tái)理事長王恩哥表示,這項(xiàng)工作刷新了長期以來人們對(duì)冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知,為冰科學(xué)研究打開了新的原子尺度視角。

《自然》對(duì)該研究進(jìn)行專題報(bào)道。多位審稿人評(píng)論稱,團(tuán)隊(duì)對(duì)冰表面進(jìn)行原子級(jí)成像是重要的技術(shù)創(chuàng)新,所獲得的分辨率在冰表面成像中“前所未有”,這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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編輯:方琳
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