北大从原子层面解开了“冰为什么滑”这个古老谜题，为什么这个问题如此之难？

admin2025-05-08 22:50:20【世界杯比赛视频】

熟悉又陌生的冰表面

冰在生活中无处不在，但大家可能不知道的是，科学界对于冰表面的理解仍处于非常初级的阶段。多年来，科学家们普遍认为，冰的表面在融化前具有完美的晶体结构，直到温度高于零下70度左右，才会出现无序和融化。

最近借助一些利用光谱分析、电子衍射等谱学技术的研究表明，低温下冰表面出现了不同于内部的结构信号，暗示着冰表面具有不完美的晶体结构。但是，这些谱学方法因空间分辨率的局限，得到的信息是空间平均的结果，如同肉眼观察树叶时只能看到树叶的大致形状，难察脉络细节，无法清晰地观察冰表面的微观结构。

工欲善其事，必先利其器

俗话说，眼见为实。那么有没有一种能够直接看清冰表面原子级结构的方法呢？这个可以有！我们有一种叫“扫描探针显微镜”的仪器就是能够看清冰表面原子分布的眼睛。

扫描探针显微镜上有一个单原子大小的探针，这个探针就像一只单原子大小的手，用这只“手”去触碰物体的表面，就可以得到表面原子级的形貌特征，从而探测表面结构。

最近，我们利用国产的qPlus型扫描探针显微镜，首次获得了自然界中最常见的“六角冰”表面的原子级分辨图像。我们惊奇地发现，即使在未融化前，冰的表面结构也远比我们之前想象的要复杂！

自行研制的qPlus型光耦合扫描探针显微镜国产化样机（左）和正式上市设备（右）

不完美的冰表面反而更加稳定

冰的基面（basal plane）不只是由一种整齐的六角密堆积（Ih）排列组成，而是同时存在六角密堆积和立方密堆积（Ic）两种排列方式。这两种不同的排列方式形成了各自独立的小区域，并通过水分子构成的五元环和八元环缺陷相互连接。由此可见，冰表面并非如同之前人们想象的那样完美，而是布满了许多“不完美”的小缺陷。

冰表面的Ih和Ic 晶畴的原子力显微镜实验图（a），对应的结构模型示意图（b），以及周期性超结构的原子力显微镜实验图（c）。图片来源：北京大学江颖团队

我们通过精确控制冰的生长条件，成功制备出了一种高度有序的超结构表面。这一结构特征表现为Ih和Ic区域以规则大小进行周期性交替排列，形成了一种类似于精心设计的规则瓷砖图案。通过深入分析这种超结构表面的氢核分布，并结合理论计算，研究人员阐明了这种特殊氢键网络的独特之处：它能有效减少冰表面悬挂氢核之间的静电排斥力，从而使得冰表面的能量大幅降低。

因此，这种“不完美”的结构比之前认为的完美冰表面更为稳定，堪称“不完美的完美”。这就像在搭建一座桥梁时，通过合理的设计减少了各个部分之间的压力，使得整座桥梁更加坚固耐用。

冰在零下153摄氏度就开始融化

我们发现，在零下153摄氏度的极低温度下，冰表面的有序超结构就开始瓦解，在超结构中局部出现大小不一的Ih和Ic区域，这标志着预融化过程的开始。随着温度的进一步提升，冰表面的超结构有序性完全消失，取而代之的是在Ih和Ic畴界附近出现的大面积无序。在无序区域中，一种局域的平面化团簇结构频繁出现。

随着温度升高冰表面预融化过程的原子级分辨成像。图片来源：北京大学江颖团队

经理论计算证实，这种结构是一种亚稳态，它的形成与表面水分子层内氢键网络的重排以及层间氢键的断裂密切相关。当冰表面开始融化时，这种平面化结构就像一个种子，它的存在促使周围“长”出更多的无序区域。这个“种子”加速了冰表面的无序化，使冰表面更容易出现预融化的现象。

东北的冰是滑的，还是因为天气不够冷

我们的这项研究推翻了过去人们对冰表面结构的认识。原来，冰表面并不是完美的结构，而是布满了纳米级的“裂痕”，这些裂痕的存在导致了冰在零下153摄氏度就开始预融化，这个临界温度远远低于此前相关研究认为的零下73摄氏度。

因此，在自然环境的温度下，大多数冰表面已经处于预融化的无序或近乎液态的状态，这也就解释了即便在寒冷的东北，冰表面照样是滑溜溜的原因。

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了不起的爱

2024-06-18

玻璃为什么也很滑

发稿人：《各地最新时事在线》总编辑：高山旗手返回搜狐，查看更多