重大发现：冰的表面有两种结构，融化成水是从零下153度开始的

北京大学物理学院和北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台的研究团队近日在《自然》杂志上发表了一项突破性研究： 冰在零下153摄氏度就开始预融化。 这一发现颠覆了人们对冰的传统认知，为冰科学研究打开了新的原子尺度视角。

预融化是指冰在熔点以下就开始融化的现象。长期以来，科学家们一直试图确定预融化的起始温度，但结果众说纷纭。北京大学物理学院教授、轻元素平台负责人江颖表示：“为了确定预融化起始温度，科学家用X射线衍射、光谱学、数值模拟等不同方法，得到了多种不同答案，但大都在-70℃以上。”

研究团队自主研发的qPlus型扫描探针显微镜在这项研究中发挥了关键作用。这种显微镜能够实现冰表面结构的原子级分辨率成像。在成像过程中，显微镜用直径与原子大小相当的探针接近冰面，通过高阶静电力精准感知氢原子和氧原子的位置，从而揭示了冰表面的原子结构。

研究发现，冰表面结构同时存在六角密堆积和立方密堆积两种排列方式。 这两种结构互相连接，形成了稳定的冰表面。江颖解释说：“我们看到在六角冰表面不仅有六角堆叠方式，还有立方堆叠方式。这两种结构互相连接，形成了稳定的冰表面。”这种特殊的堆叠方式解释了为什么此次确定的预融化起始温度比理论计算结果要低。

当温度逐渐升高至-153℃时，原子开始脱离原来的位置，有序性被破坏，冰表面发生预融化。 研究团队特聘研究员田野指出：“显微镜成像显示，六角堆叠和立方堆叠的连接边界充满了缺陷。当温度升高时，这些缺陷就可能成为预融化的触发点，使预融化来得比理论预计的更早。”

这一发现对理解冰面润滑、云的形成及冰川消融过程等自然现象具有重要意义。 江颖说：“大自然中平均最低温度为-90℃，在极端情况下，例如在高层大气中，最低温度可达-150℃。这意味着，地球任何地点的温度，都高于冰的预融化起始温度，地球上所有的冰都处于预融化状态，表面都存在液体。”

中国科学院院士、轻元素平台理事长王恩哥表示，这项工作刷新了长期以来人们对冰表面结构和预融化机制的传统认知，为冰科学研究打开了新的原子尺度视角。《自然》杂志对该研究进行了专题报道，多位审稿人评论称，团队对冰表面进行原子级成像是重要的技术创新，所获得的分辨率在冰表面成像中“前所未有”，这些发现可能对大气科学、材料科学等多个领域产生深远影响。