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

  • 在澜沧江源,他们“镜”守山河

  • “萌宠”旅客春运进行时

独家策划

推荐阅读
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
就像为一段混乱的进程找到慢放键,中国科学家在量子世界实现了一项关键控制。在量子世界中,系统在外部驱动下通常会逐步丢失初始信息,最终达到混乱的热平衡状态,该过程被称为“热化”。
2026-02-03 09:37
科技部日前发布的2024年度全国科普统计数据表明:我国科普人员队伍规模持续壮大,2024年全国科普专、兼职人员数量达221.27万,比2023年增长2.62%,其中,科普专职人员29.70万人,科普兼职人员191.57万人。
2026-02-03 09:36
2月2日是第30个“世界湿地日”。我国持续开展湿地保护修复,累计实施3800多个项目,新增和修复湿地面积100余万公顷;实施红树林保护修复和互花米草防治专项行动,累计营造红树林9200公顷,除治互花米草9.73万公顷。
2026-02-03 09:21
X光片显示的一名33岁患者的新肺(左)和旧肺。在这项研究中,Bharat表示,他的团队设计的这套人工肺系统,能够保持血液平稳且持续地流向心脏,从而降低了因血栓引发心脏病的风险。
2026-02-02 09:52
孙纯告诉《中国科学报》,时间规划的“艺术”在于,如何平衡优先和重大项目、自由观测申请项目以及可能突然出现的机遇型项目,让所有科研用户都能满意。再过十余天,孙纯的家人就会到基地与她团聚,而雷政今年终于可以回到遵义老家,与亲友相聚。
2026-02-02 09:51
通过研究月壤,我们可以进行优化模拟,从而更好服务后续探月任务。
2026-02-02 09:50
作者:王黎萤(浙江工业大学中国中小企业研究院副院长)万劲波(中国科学院科技战略咨询研究院研究员)  标准是重要基础性制度,对构建现代化产业体系、建设全国统一大市场等具有重要作用。
2026-02-02 09:37
1日,“砼真砼知”混凝土材料科学大模型在江苏南京首发。中国工程院院士、东南大学首席教授刘加平介绍:“该模型推动混凝土材料研发迈入数据驱动的‘第四范式’,为工程材料领域破解数据、算法、模型关键难题提供了标杆方案,将加速建材产业低碳转型与高质量发展。
2026-02-02 09:36
在分子世界中,有一种化学键如同生命的“缝合线”——它将氨基酸串成蛋白质,把药物分子编织成救命良方,这就是酰胺键。利用这项变革性的生物催化方法,已成功实现了多款明星药物分子的高效、绿色生物生产。
2026-02-02 09:35
为揭示东亚古人类的技术智慧与演化脉络提供了关键证据。
2026-01-30 09:37
中国气象局29日发布《2025年中国风能太阳能资源年景公报》。公报显示:2025年,全国风能资源为正常年景,全国太阳能资源总体为偏小年景。
2026-01-30 03:30
想象一下手电筒的光:柔和而四散,照亮着前方。激光,就像一束训练有素的光——所有光粒子步调一致,朝着同一个方向前进,能量高度集中。这种特性让激光能完成普通光做不到的“精细活”,从超市扫码器到医院手术刀,从光纤通信到舞台灯光秀,背后都有它的身影。
2026-01-30 03:30
加载更多