点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:我科学家首次揭示六角冰表面原子级分辨图像
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

我科学家首次揭示六角冰表面原子级分辨图像

来源:光明网-《光明日报》2024-05-23 10:39

  【科技前沿】

  光明日报北京5月22日电(记者晋浩天)北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台江颖教授、徐莉梅教授、田野特聘研究员、王恩哥院士等合作,利用自主研发并商业化的国产qPlus型扫描探针显微镜,首次获得了自然界最常见的六角冰表面的原子级分辨图像。研究团队发现冰表面在零下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。这项研究成果5月22日以《冰表面结构和预融化过程的原子分辨成像》为题发表于《自然》。《自然》研究简报栏目还对该研究成果进行了专题报道。

  “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。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,如冰的形成、臭氧的分解、雷云的带电等。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。”江颖说,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。然而,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初级阶段,甚至连基本问题——冰的表面结构是什么,尚未弄清楚。

  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。预融化现象对于理解冰面的润滑现象、云的形成与寿命、冰川消融过程等至关重要。田野介绍,自从19世纪中期,法拉第首次提出预融化层的概念以来,围绕其结构和机制的争论已经持续了170多年。这种持续争论的原因在于,相关研究主要依赖谱学手段,而这些手段受到衍射极限的限制,无法得到准确的原子尺度信息。因此,在实空间中对体相冰表面和预融化过程进行原子级分辨成像,是理解预融化层的关键。

  江颖课题组长期致力于高分辨扫描探针显微镜的自主研发和应用,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。2022年,课题组完成了qPlus型扫描探针显微镜的国产化样机,随后通过校企联合攻关,实现了该系统的整机国产化。在本工作中,研究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。”江颖说。

  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,发现冰表面在零下153℃时就开始融化。该工作颠覆了长期以来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(零下153℃左右)下就开始变得无序,这个现象产生的温度远低于之前研究普遍认为的零下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。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。“可以说,这些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。”江颖说。

[ 责编:焦子原 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 上海文学馆正式向公众开放

  • 吉隆县泥石流灾害受灾群众转移安置工作有序开展

独家策划

推荐阅读
在机器人足球互动区,身高不足1米的小型人形机器人成为射门球员,现场的小观众担任守门员,开启点球大战,战况激烈。
2026-08-28 09:29
由此而言,坚持让人工智能服务立德树人这一根本任务,助力“五育”并举、促进学生全面发展,才能让人工智能成为赋能教育和学生的有力臂膀。
2026-08-28 09:23
“十五五”期间国家电网将加快特高压通道建设
2026-08-28 04:55
“叮——”一声清脆的钟鸣划开展厅的喧嚣,天工3.0机器人的银白机械臂轻叩青铜编钟,《小星星》的旋律徐徐流淌。
2026-08-28 03:55
为推动人工智能医学影像研究的负责任创新和健康发展,国家科技伦理委员会医学伦理分委员会27日发布《人工智能医学影像研究伦理指引》。
2026-08-28 03:55
8月26日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆“冰丝带”闭幕。小型组400米比赛中,北京人形机器人创新中心研发的天工Omni一骑绝尘,以45.66秒的绝对速度率先撞线,其掩面狂奔的“娇羞”姿势更是火遍全网。
2026-08-27 09:55
作为地球上物种多样性最高的动物类群,昆虫的早期起源与登陆演化历史长期存在研究空白。系统研究表明,先驱乔昔虫这一早期干群昆虫具备半水生两栖生活习性,栖息于水陆交界的湿润微环境。
2026-08-27 09:53
中共中央政治局常委、国务院总理李强8月24日至26日在黑龙江、吉林调研。
2026-08-27 09:51
重庆依山而建、傍水而兴,多山多水的复杂地貌,给城市交通建设带来天然挑战,也造就了独一无二的立体交通图景。“悟空立交”的出圈,也是中国超级基建版图的微小切片。广袤中华大地,山河辽阔、地貌多元,从峡谷江河到高原山川,中国基建逢山开路、遇水架桥,在复杂地形上书写了无数建设传奇。
2026-08-27 09:50
记者26日从中国科学技术协会举办的新闻发布会上获悉,以“科技改变生活创新赢得未来”为主题的全国科普月将于9月1日启幕。全国科普月期间还将同步举办世界公众科学素质促进大会,将邀请国内外专家学者围绕“面向智能社会的科学素质”主题展开研讨。
2026-08-27 09:46
当前,人工智能与实体经济持续深度融合,产业变革多线并进。从算力芯片、工业智能装备到低空通航体系,技术创新持续打通落地堵点,全方位推动制造、服务等领域转型升级。
2026-08-26 09:32
这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子,就是胶球。
2026-08-26 05:50
“棉芯1.0”以“网页端+小程序端”双端设计,分别瞄准科研创新与田间生产两大核心场景。
2026-08-26 05:50
工业和信息化部绿色低碳标准化技术委员会日前成立
2026-08-26 05:15
做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去
2026-08-26 05:15
促进人工智能与农业发展相结合,是提升农业科技创新效能的重要着力点。
2026-08-26 05:15
中央气象台首席预报员陈双预计,出伏后,四川盆地、江汉等地将有高温天气出现,上述地区仍需关注“秋老虎”天气。
2026-08-25 09:49
近期,在部分高原、草原景区,投喂、抚摸野生旱獭(土拨鼠)或与其近距离合影打卡,成为不少游客跟风的行为。除了野生旱獭,黄鼠、沙鼠等啮齿动物也是鼠疫的自然宿主,野兔、狐狸、野猫等野生动物也可成为鼠疫的偶然宿主,均存在传播风险。
2026-08-25 09:47
翻看评论区,呼声最高的几条是“旺仔牛奶太甜了”“能不能出低糖版”——不是不爱,是当年的小孩长大了,而有些配方还没跟着长大。
2026-08-25 09:46
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变经济社会的传统发展模式。同时,世界百年未有之大变局加速演进,全球创新版图和竞争格局正在经历深刻调整。
2026-08-25 02:10
加载更多