Bet365 - Online Sports Betting从“滑”到“超滑”：原子尺度上冰的润滑行为

2025-06-06 04:12:49

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　　水是自然界中最常见、元素构成简单且人们最为熟悉的物质之一，但由于其多体氢键相互作用和质子显著的核量子效应，它同时也是自然界中最复杂的凝聚态物质之一。Science 在创刊125周年之际，将“水的结构是什么”列为21世纪125个最具挑战性的科学问题之一。2023年，Nature 出版集团推出了一本专注于水科学跨学科研究的子刊——Nature Water，这是该集团旗下唯一以特定物质命名的子刊，充分体现了水的重要性。冰，作为水的重要固体形态，由水分子规则排列形成，其结构与动力学过程在材料科学、摩擦学、大气科学等众多领域具有至关重要的作用。本文从自然界中最常见的体相六角冰出发，系统介绍六角冰的表面原子结构及其预融化动力学过程，揭示其表面润滑的微观机制，并进一步探讨二维六角冰的超滑特性，为原子尺度冰科学研究及摩擦学研究提供了新的视角。

　　六角冰(Ice Ih)是地球上最常见的冰相，广泛分布于自然环境中。据统计，冰川和极地冰覆盖了地球约十分之一的陆地[1]；在大气层中，超过半数的地球表面被含有大量冰晶的云层所遮盖。云冰晶是太阳辐射到达地面之前的“收费站”，其表面反射了多达90%的太阳辐射，对维持地球的气候和能量平衡至关重要[2]。冰表面，作为冰与外界环境交互的第一线，在方方面面都扮演着重要角色。冰表面参与多种自然现象和大气中的多种反应，对冰的形成、大气平流层中臭氧分解以及雷云中电荷的积累等过程均具有显著影响[3—6]。在星际空间中，冰覆盖的尘埃颗粒是复杂有机分子生成的关键载体，对冰表面的深入研究对于揭示生命起源和物质来源的奥秘具有重要的科学意义[7，8]。在季节变换中，冰表面会发生融化，这不仅影响着局部地区的水循环，还与全球海平面、洋流模式乃至极端气候事件息息相关。

　　在微观世界中，扫描探针显微镜是我们研究表面结构的最可靠的技术之一。扫描探针显微镜的探针就像一只单原子大小的手，用这只“手”去触碰表面，就可以得到表面原子级的形貌特征，从而探测表面结构。qPlus型扫描探针显微镜通过集成高灵敏度的qPlus型传感器，能够同步捕捉飞安级电流和皮牛级力信号，具有超高的空间分辨能力[18]。通过创新研发基于高阶静电力的qPlus技术，我们率先在国际上实现了氢核成像[19]。通过利用一氧化碳分子修饰针尖以调控其电荷分布，借助电四极矩探针与水分子间微弱的高阶静电力，能够精准解析水分子的氢键结构并定位氢核位置。该技术对探测对象的扰动极小，特别适用于由水分子组成的脆弱氢键网络。一氧化碳分子修饰的针尖通常是在导电的金属衬底上制备，为了对完全绝缘的冰表面进行高分辨成像，我们开发了通用的非原位一氧化碳分子针尖修饰技术，有效突破了绝缘体表面无法进行原位针尖修饰的技术瓶颈。

　　通过在低温下长时间的气相沉积，我们在金属衬底上生长出了自然界中最常见的六角冰(ice Ih，图1(a)，(b))，冰层厚度超过250 nm。利用一氧化碳针尖与水分子之间的高阶静电相互作用，能够分辨冰表面水分子的取向，并精确定位单个正四面体结构，首次获得了冰表面的原子级分辨图像(图1(c))[20]。实验发现，即使在未融化前，冰的表面结构也远比人们之前想象的复杂。与以往普遍认为的理想冰表面仅由六角密堆积一种堆叠方式构成的观点不同，实际上冰的基面(basal plane)同时存在六角密堆积和立方密堆积(Ic)两种不同的排列方式。这些不同的排列方式构成了各自独立的晶畴，它们通过由五元环和八元环组成的线缺陷相互连接，实现了纳米尺度上的无缝层内堆叠(图1(c)，(d))。由此可见，冰表面并非之前想象的那样完美，而是布满了许多“不完美”的小缺陷。

　　为进一步深入探究冰表面的预融化过程，我们进行了系统的变温生长实验，发现超结构在-153℃ (120 K)下开始瓦解，局部出现大小不一的Ih和Ic晶畴，这标志着表面预融化的开启(图3(a)，(b))。随着温度进一步升高，冰表面的超结构序完全消失，大面积的无序区域出现在Ih和Ic晶畴的交界处，充分说明冰表面本征的缺陷晶界能够促进预融化的发生(图3(c))。在无序区域中，我们常能观测到一种局域的平面化团簇结构(图3(c))。经理论计算证实，这种结构是一种亚稳态，它的形成涉及表面双分子层内氢键网络的重排以及层间氢键的断裂。当冰表面开始融化时，这些团簇结构就像一个种子，它的存在促使周围“长”出更多的无序区域，加速冰表面的无序化。

　　通过对二维冰进行大范围的高分辨成像，我们发现两种二维冰都包含许多晶畴。石墨烯表面的二维冰晶畴有两种互成30°角的氢键网络取向，它们被一条由5-7-5元环组成的晶界分隔开(图5(a))。而氮化硼表面二维冰所有的晶畴取向相同，其晶界更宽(图5(b))。通过同时对二维冰的氢键网络和衬底晶格成像，并统计了水六元环的中心到衬底上最近邻的碳六元环中心的距离，可以发现石墨烯的晶格和二维冰的晶格没有明显的匹配关系，呈现非公度性(图5(a))；而氮化硼表面的二维冰与衬底晶格有着很好的匹配关系，即：一个水六元环对应一个B-N十四元环(图5(b))。统计结果表明，水六元环的中心到衬底最近邻的B-N六元环中心的特征距离约为1.15Å(图5(c))，说明体系具有非常好的公度性。快速傅里叶变换(FFT)的结果也很好地反映了两种体系的公度性差异(图5(d))。结合密度泛函理论计算的结果，可以发现，虽然石墨烯和氮化硼的晶格常数非常接近，但两者的表面电荷性质却存在较大差异，使得水分子在氮化硼表面的势能起伏比非极性的石墨烯大2—3倍。尽管这个差异很小(小于10 meV/water)，却可对“柔性”的二维冰氢键网络的公度性产生决定性影响。

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