在北京大学，未名湖已成必打卡景点，有人欣赏湖畔的杨柳依依，有人在满湖弥漫的静谧光芒中感受时光流转……但“80后”博导江颖则与众不同，他通过观察湖面，思考出一个科学问题。
江颖
冬日的一次散步，江颖发现湖面上有很多像波纹一样的涟漪，原以为没有结冰，但当用手一摸时发现表面已是固态，就连那些褶皱都是硬的。亦冰亦水的奇特现象，让江颖倍感新奇，他赶紧拍了照片发朋友圈，配文是“湖面上是水还是冰？”
很快，许多人在下面留言讨论起来，其中好几位老师都认为冰表面很值得研究。江颖回复说：“好主意，设计个实验试试！”
一个新课题就这样诞生了！
江颖带着学生开始探究冰表面到底长啥样。6年时间，他不仅自主研发出中国第一台光耦合qPlus型扫描探针显微镜，还从原子尺度上揭开了有关冰的一系列未解之谜，给出了冰表面预融化这一长达170多年的争议问题的答案。无论是研究的创新性，还是文章的完整度，都赢得审稿人一致的高度赞赏，于日前发表在Nature杂志上。
江颖
冰表面与许多物理和化学性质密切相关，如融化、冻结、摩擦、气体吸收和大气反应。尽管进行了大量的实验和理论研究，但由于脆弱的氢键网络和复杂的预融过程，冰界面的确切原子结构仍然难以捉摸。2024年5月22日，北京大学江颖、徐莉梅、王恩哥及田野共同通讯在Nature 在线发表题为“Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution”的研究论文，该研究利用基于qPlus的冷冻原子力显微镜和一个一氧化碳功能化的尖端，实现了六方水冰(冰Ih)的基本(0001)表面结构的原子分辨率成像。总之，该研究发现冰表面在零下153摄氏度就会开始融化，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。在传统的观点中，晶体冰表面被简单地认为是一个从体块截断的平面，没有任何重建。然而，众所周知，固体表面上的原子倾向于重新排列以最小化表面能。在冰表面是否存在类似的重构，以及质子的排列顺序如何，仍然是难以捉摸的。此外，冰表面甚至可以在低于整体融化温度的情况下融化，这与长期以来一直存在争议的所谓预融化过程相对应。只有在对最稳定冰表面的微观性质有了清晰认识的基础上，才能进一步探索表面预融的起源和机制。
江颖 本文图片均为受访者提供
用晶体学方法已经很好地测定了不同相的大块冰的结构。相比之下，探测冰表面的要求要高得多，主要依靠表面敏感衍射和光谱技术，如低能电子衍射、氦原子散射、X射线吸收光谱和和频产生光谱。即使有一些迹象表明最外层与体结构不同，由于空间分辨率和空间平均效应较差，这些方法也无法解决冰表面和预熔结构的纳米尺度或原子非均匀性。虽然高分辨率扫描隧道显微镜(STM)可以用来确定少数层冰膜的形态和结构，但由于其绝缘性质，STM无法接近大块冰。非接触式原子力显微镜(AFM)也被应用于探测真实空间中的冰表面。然而，由于尖端对脆弱的氢(H)键结构的干扰以及难以进入近程力区，在冰面上实现原子分辨率是具有挑战性的。有研究表明，冰面上悬空的氢键可能被短程重建，但冰面上氢键网络的详细拓扑结构尚未确定。六方冰(0001)表面Ih-和Ic -层畴的边界结构（图源自Nature）该研究发现晶体冰-Ih表面由混合Ih和立方(Ic)堆叠纳米畴组成。密度泛函理论表明，通过减小悬空氢氧根键之间的静电斥力，这种重构表面在理想冰面上保持稳定。此外，随着温度的升高(高于120开尔文)，冰表面逐渐变得无序，这表明预融化过程的开始。表面预熔发生在Ih和Ic畴之间的缺陷边界处，可以通过形成平面局部结构来促进表面预熔。这些结果结束了长期以来关于冰表面结构的争论，并揭示了冰预融的分子起源，这可能导致对冰物理和化学理解的范式转变。北京大学物理学院量子材料科学中心2018级博士研究生洪嘉妮（现为北京大学物理学院博士后，入选中国博士后创新人才支持计划）、2016级博士研究生田野（现为北京大学物理学院特聘研究员）、2020级博士研究生梁天成和2020级博士研究生刘心萌为文章的共同第一作者，江颖、徐莉梅、田野和王恩哥为文章的共同通讯作者。其中洪嘉妮、田野、刘心萌、江颖主要贡献为扫描探针实验，梁天成、潘鼎、徐莉梅、王恩哥主要贡献为第一性原理计算和模拟。上述工作得到了国家自然科学基金委、科学技术部、教育部、北京市科学技术委员会、北京市发展和改革委员会和新基石科学基金会的经费支持。在江颖的履历上，已经收获Science、Nature等论文数篇，但他并不要求每个学生毕业前一定要有好文章，重要的是掌握实验技能，能够独立思考，将来独当一面。
科研之所以让很多人望而却步，就在于付出再多，也不一定有预期的结果。就像航行的船只，在白雾弥漫的大海上摸索前行，却不知道终点在何处。因此，江颖希望每位选择科研这条路的学生对科研都是发自内心的热爱，“只有热爱你所从事的科研方向和领域，才能耐得住出成果前很长一段时间的寂寞”。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07427-8
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