冰是平常糊口中的常见物资。人们都知道，它在0℃时会熔化成水。但是，我国科学家比来的一项发现却倾覆了这一认知。北京年夜学物理学院和北京怀柔综合性国度科学中间轻元素量子材料交叉平台（以下简称轻元素平台）的研究团队发现，冰在-153℃便最先预熔化。相干论文近日颁发在国际学术期刊《天然》。论文配合通信作者、中国科学院院士、轻元素平台理事长王恩哥暗示，这项工作刷新了持久以来人们对冰概况布局和预熔化机制的传统认知，为冰科学研究打开了新的原子标准视角。

预熔化肇端温度众口纷纭

预熔化这一概念源自170多年前的一项猜测。19世纪50年月，英国物理学家、化学家迈克尔 法拉第发现，假如把两块冰压在一路，它们会渐渐地毗连，构成一年夜块冰。他把这类现象称为复冰现象，并认为冰块概况有肉眼难以不雅察到的薄薄的一层液体水。

跟着科技的成长，科学家经由过程尝试验证了法拉第的设法 即便在0℃以下，冰概况也存在很是薄的液体层。这意味着，熔化进程早在低在熔点时已产生。这就是预熔化现象。

预熔化是冰的内部仍是固态时，其概况最先熔化的现象。它有两个要害参数：预熔化肇端温度和预熔化层厚度。 论文配合通信作者、轻元素平台特聘研究员郊野注释说，冰在熔点的熔化和预熔化在宏不雅和微不雅上都有区分。冰在熔点熔化时，人们肉眼就可以看到它由固态变成液态，呈现水和冰共存的状况。这时候它内部的微不雅布局已完全变得无序。而在预熔开云体育app化进程中，预熔化层通常是纳米量级，即数个到数十个原子厚度，要借助高分辩率的东西才有可能不雅察到液态水。预熔化层之下区域的原子仍然依照晶体的纪律有序摆列。

多年来，环绕预熔化是若何产生的、预熔化肇端温度、预熔化层厚度若何随温度转变等问题，科学家进行了很多尝试和理论研究，但成果其实不抱负。 为了肯定预熔化肇端温度，科学家用X射线衍射、光谱学、数值摹拟等分歧方式，获得了多种分歧谜底，但年夜都在-70℃以上。 ?论文配合通信作者、北京年夜学物理学院传授、轻元素平台负责人江颖暗示，之所以谜底各不不异，本源在在这些手段的空间分辩率不敷高，是以只能在预熔化到达必然范围后才能发现，没法肯定预熔化的最初时刻和肇端温度。

冰内部的氢原子、氧原子由氢键毗连，构成有序的收集布局，即晶格。在不变的冰晶体中，原子在晶格中的位置是固定的。当温度升高时，冰概况的原子活动加重，从而离开本来的位置，激发预熔化。 是以，在原子层面不雅察冰概况布局，才能真准确定预熔化的最初时刻。 江颖说。

以光谱学方式为例，受限在衍射极限，科学家今朝只能对纳米至微米标准规模内的水份子进行平均不雅测，并按照光谱转变肯定预熔化肇端温度。 预熔化产生时，起首是引发冰在原子层面的布局转变。当转变的规模逐步扩年夜，水份子光谱产生转变时，早已错过了预熔化产生的最初时刻。这也是为何以往的研究得出的预熔化肇端温度都高在我们此次研究成果的缘由之一。 江颖介绍，曾有科学家发现水的光谱旌旗灯号在-153℃摆布会产生异常转变，但限在光谱学方式的分辩率和活络度，没法肯定旌旗灯号转变的缘由。

国产利器实现原子级成像

水份子很小，氢键的感化力很是弱，同时存在核量子效应，致使对它进行高分辩率的不雅察极其坚苦。在此次研究中，江颖团队自立研发的国产qPlus型扫描探针显微镜功不成没。在成像进程中，显微镜用直径与原子巨细相当的探针接近冰面，经由过程高阶静电力精准感知氢原子和氧原子的位置，从而实现对冰概况的高分辩率成像。在这个进程中，显微镜探针与冰面没有接触，因此不会对冰概况和其布局发生影响。 恰是经由过程这一利器，我们初次实现了冰概况布局的原子级分辩率成像，并肯定了预熔化肇端温度。 江颖说。

冰是由水份子依照分歧体例堆叠而成的晶体。科学家已发现了20多种冰晶体堆叠体例，此中最多见的是构成六角冰（Ih）的六角堆叠体例。在这类堆叠体例中，两个水份子彼此毗连构成六边形，进而拼接成一个平面，分歧平面间的份子经由过程氢键毗连。曩昔，科学家认为在常规前提下，冰概况只存在这一种堆叠体例。

qPlus型扫描探针显微镜揭示的 气象 却出乎预感。 我们看到在六角冰概况不但有六角堆叠体例，还立方堆叠体例。这两种布局相互毗连，构成了不变的冰概况。 江颖说，这是人类初次在冰概况不雅察到这类堆叠体例。

与六角冰中六边形收集层之间的对齐堆叠分歧，立方冰（Ic）在水份子六边形收集层构成后，各层之间会存在必然水平的错位堆叠。科学家曾认为立方冰在年夜天然中其实不常见，可能存在在高层年夜气中。

此次研究中，科学家发此刻不变的冰概况，六角堆叠和立方堆叠的组合显现必然的周期性，便是有序的。当温度逐步升高至-153℃时，原子最先离开本来的位置，有序性被粉碎，冰概况产生预熔化。江颖暗示，预熔化是一个逐步推动的进程，它从局部逐步扩年夜，并从概况向内部分散。而肯定原子离开晶格中位置的最初时刻，就可以肯定预熔化肇端温度。

科学家在冰概况不雅察到的非凡堆叠体例，也能注释为何此次肯定的预熔化肇端温度比理论计较成果要低。当冰概况只存在六角堆叠时，这些六角形布局可以十全十美地毗连在一路。当冰概况包括六角堆叠和立方堆叠时，二者因为堆叠体例纷歧，在毗连时会不成避免地呈现裂缝，或说缺点。 显微镜成像显示，六角堆叠和立方堆叠的毗连鸿沟布满了缺点。当温度升高时，这些缺点便可能成为预熔化的触发点，使预熔化来得比理论估计的更早。 郊野说。

新发现有助在解答诸多问题

冰在我们的糊口中到处可见，为何还要年夜费周章去研究它？

冰作为水的固态情势，对天然界转变甚至人类保存有侧重要影响。地球概况绝年夜部门淡水资本以冰的情势存储在冰川当中，云层中的冰晶颗粒介入多种景象形象进程，对全球天气转变有深远影响。即便在寻觅地外生命的进程中，科学家的眼光也锁定冰或水。但在冰的构成机制、概况布局等方面仍存在很多未解之谜。冰可以说是人类 最熟习的生疏人 之一。

研究冰的预熔化肇端温度意义安在？江颖说，年夜天然中平均最低温度为-90℃，在极端环境下，例如在高层年夜气中，最低温度可达-150℃。这意味着，地球任何地址的温度，都高在冰的预熔化肇端温度，地球上所有的冰都处在预熔化状况，概况都存在液体。

知道了这一点，就很轻易理解为何冰面老是那末滑。但研究预熔化肇端温度的价值不止在此，它对理解冰川熔化、年夜气进程、磨擦、可燃冰构成等诸多问题都有主要意义。

例如，水具有催化性，它介入了高层年夜气中的很多进程。 在分歧状况下，水的催化活性纷歧样，凡是液态水比冰的催化活性要高。 江颖说，在高空臭氧的发生和分化进程中，平流层云中的冰晶颗粒起到了非凡的催化和载体感化。而肯定冰的预熔化肇端温度和布局后，就可以更好地舆解为何在高空的低温前提下，冰晶仍然能高效地催化反映，从而更科学地注释高空臭氧的产生和分化进程，和其对全球变暖的影响。

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