◎本报记者 徐 玢

冰是平方生活中的常见物资。东谈主们都知谈，它在0℃时会溶解成水。然则，我国科学家最近的一项发现却颠覆了这一说明。北京大学物理学院和北京怀柔笼统性国度科学中心轻元素量子材料交叉平台（以下简称轻元素平台）的连络团队发现，冰在-153℃便启动预溶解。

相干论文近日发表于海外学术期刊《当然》。论文共同通信作家、中国科学院院士、轻元素平台理事长王恩哥示意，这项职责刷新了永恒以来东谈主们对冰名义结构和预溶解机制的传统说明，为冰科学连络通达了新的原子规范视角。

预溶解肇始温度众说纷纭

预溶解这一办法源自170多年前的一项揣度。19世纪50年代，英国物理学家、化学家迈克尔·法拉第发现，要是把两块冰压在统共，它们会平缓地归拢，变成一大块冰。他把这种现象称为复冰现象，并觉得冰块名义有肉眼难以不雅察到的薄薄的一层液体水。

跟着科技的发展，科学家通过试验考证了法拉第的念念法——即使在0℃以下，冰名义也存在相称薄的液体层。这意味着，溶解历程早在低于熔点时一经发生。这即是预溶解现象。

“预溶解是冰的里面如故固态时，其名义启动溶解的现象。它有两个要津参数：预溶解肇始温度和预溶解层厚度。”论文共同通信作家、轻元素平台特聘连络员郊野证明说，冰在熔点的溶解和预溶解在宏不雅和微不雅上都有区别。冰在熔点溶解时，东谈主们肉眼就能看到它由固态变为液态，出现水和冰共存的情景。这时它里面的微不雅结构一经统统变得无序。而在预溶解历程中，预溶解层一般为纳米量级，即数个到数十个原子厚度，要借助高折柳率的器具才有可能不雅察到液态水。预溶解层之下区域的原子依然按照晶体的轨则有序摆设。

多年来，围绕预溶解是若何发生的、预溶解肇始温度、预溶解层厚度若何随温度变化等问题，科学家进行了好多试验和表面连络，但成果并不睬念念。“为了详情预溶解肇始温度，科学家用X射线衍射、光谱学、数值模拟等不同纪律，获得了多种不同谜底，但多数在-70℃以上。” 论文共同通信作家、北京大学物理学院栽植、轻元素平台发达东谈主江颖示意，之是以谜底各不换取，根源在于这些工夫的空间折柳率不够高，因此只可在预溶解达到一定例模后才智发现，无法详情预溶解的领先时候和肇始温度。

冰里面的氢原子、氧原子由氢键归拢，变成有序的网罗结构，即晶格。在隆重的冰晶体中，原子在晶格中的位置是固定的。当温度升高时，冰名义的原子畅通加重，从而脱离正本的位置，激发预溶解。“因此，在原子层面不雅察冰名义结构，才智确凿详情预溶解的领先时候。”江颖说。

以光谱学纪律为例，受限于衍射极限，科学家当前只可对纳米至微米规范限制内的水分子进行平均不雅测，并凭证光谱变化详情预溶解肇始温度。“预溶解发生时，起初是引起冰在原子层面的结构变化。当变化的限制缓缓扩大，水分子光谱发生变化时，早已错过了预溶解发生的领先时候。这亦然为什么以往的连络得出的预溶解肇始温度都高于咱们这次连络成果的原因之一。”江颖先容，也曾有科学家发现水的光谱信号在-153℃傍边会发生特地变化，但限于光谱学纪律的折柳率和贤慧度，无法详情信号变化的原因。

国产利器已毕原子级成像

水分子很小，氢键的作用劲相称弱，同期存在核量子效应，导致对它进行高折柳率的不雅察极为难过。在这次连络中，江颖团队自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜功不行没。在成像历程中，显微镜用直径与原子大小卓著的探针接近冰面，通过高阶静电力精确感知氢原子和氧原子的位置，从辛苦毕对冰名义的高折柳率成像。在这个历程中，显微镜探针与冰面莫得战斗，因而不会对冰名义过火结构产生影响。“恰是通过这一利器，咱们初度已毕了冰名义结构的原子级折柳率成像，并详情了预溶解肇始温度。”江颖说。

冰是由水分子按照不同风光堆叠而成的晶体。科学家一经发现了20多种冰晶体堆叠风光，其中最常见的是变成六角冰（Ih）的六角堆叠风光。在这种堆叠风光中，两个水分子相互归拢变成六边形，进而拼接成一个平面，不同平面间的分子通过氢键归拢。往常，科学家觉得在成例条目下，冰名义只存在这一种堆叠风光。

qPlus型扫描探针显微镜展现的“征象”却出乎预念念。“咱们看到在六角冰名义不仅有六角堆叠风光，还有立方堆叠风光。这两种结构相互归拢，变成了隆重的冰名义。”江颖说，这是东谈主类初度在冰名义不雅察到这种堆叠风光。

与六角冰中六边形网罗层之间的对王人堆叠不同，立方冰（Ic）在水分子六边形网罗层变成后，各层之间会存在一定进度的错位堆叠。科学家曾觉得立方冰在大当然中并不常见，可能存在于高层大气中。

这次连络中，科学家发当今隆重的冰名义，六角堆叠和立方堆叠的组合呈现一定的周期性，即是有序的。当温度缓缓升高至-153℃时，原子启动脱离正本的位置，有序性被马虎，冰名义发生预溶解。江颖示意，预溶解是一个缓缓推动的历程，它从局部缓缓扩大，并从名义向里面扩散。而详情原子脱离晶格中位置的领先时候，就能详情预溶解肇始温度。

科学家在冰名义不雅察到的稀奇堆叠风光，也能证明为什么这次详情的预溶解肇始温度比表面贪图成果要低。当冰名义只存在六角堆叠时，这些六角形结构不错白壁微瑕地归拢在统共。当冰名义包含六角堆叠和立方堆叠时，两者由于堆叠风光不一，在归拢时会不行幸免地出现瑕疵，简略说颓势。“显微镜成像领路，六角堆叠和立方堆叠的归拢鸿沟充满了颓势。当温度升高时，这些颓势就可能成为预溶解的触发点，使预溶解来得比表面瞻望的更早。”郊野说。

新发现存助于解答诸多问题

冰在咱们的生活中随地可见，为什么还要大费周章去连络它？

冰行动水的固态体式，对当然界变化乃至东谈主类生涯有详实要影响。地球名义绝大部分淡水资源以冰的体式存储在冰川之中，云层中的冰晶颗粒参与多种气象历程，对公共快意变化有深刻影响。即使在寻找地外人命的历程中，科学家的眼神也锁定冰或水。但在冰的变成机制、名义结构等方面仍存在好多未解之谜。冰不错说是东谈主类“最熟习的目生东谈主”之一。

连络冰的预溶解肇始温度意旨安在？江颖说，大当然中平均最低温度为-90℃，在极点情况下，举例欧洲杯体育在高层大气中，最低温度可达-150℃。这意味着，地球任何场地的温度，都高于冰的预溶解肇始温度，地球上统统的冰都处于预溶解情景，名义都存在液体。

知谈了这少量，就很容易齐集为什么冰面老是那么滑。但连络预溶解肇始温度的价值不啻于此，它关于齐集冰川溶解、大气历程、摩擦、可燃冰变成等诸多问题都有要害意旨。

举例，水具有催化性，它参与了高层大气中的好多历程。“在不同情景下，水的催化活性不相通，往往液态水比冰的催化活性要高。”江颖说，在高空臭氧的产生和说明历程中，平流层云中的冰晶颗粒起到了稀奇的催化及载体作用。而详情冰的预溶解肇始温度和结构后，就能更好地齐集为什么在高空的低温条目下，冰晶依然能高效地催化反馈，从而更科学地证明高空臭氧的发生和说明历程，过火对公共变暖的影响。