北京大學(xué)未名湖畔，“一塔湖圖”的美景引人入勝。不過(guò)，同樣是觀賞未名湖，北大物理學(xué)院教授江穎“只是因?yàn)樵谌巳褐卸嗫戳四阋谎邸?，就靈感爆棚，研究形成了一篇題為《冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化過(guò)程的原子分辨成像》（Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution）的論文，并于5月22日發(fā)表在了科學(xué)界頂級(jí)刊物《自然》（Nature）雜志上。

散步散出一篇論文

幾年前，江穎教授冬天在未名湖邊散步時(shí)就曾注意到湖面上蕩漾著一圈圈的漣漪。寒冬臘月里的湖面竟然沒(méi)有結(jié)冰？他覺(jué)得很詫異，于是用手去觸摸那些水紋，卻意外地發(fā)現(xiàn)那些水紋的表面是凝固的。這種又像水又像冰的現(xiàn)象立刻引發(fā)了他的探究欲，江穎教授馬上拍了張照片發(fā)在朋友圈并發(fā)問(wèn)：“湖面上是水還是冰？”

學(xué)霸的朋友圈盡是學(xué)霸，評(píng)論區(qū)一下炸開(kāi)了鍋，吸引了諸多“學(xué)術(shù)大佬”的討論，雖然大家的猜想各有不同，但有一點(diǎn)相同：冰表面這個(gè)課題，確實(shí)值得研究一番。江穎馬上回復(fù)說(shuō)：“好主意，設(shè)計(jì)個(gè)實(shí)驗(yàn)試試！”

或許在一般人看來(lái)，這個(gè)研究課題有些無(wú)厘頭，冰的表面難道不是冰嗎？但實(shí)則不然?！氨砻娴慕Y(jié)構(gòu)究竟是什么”其實(shí)是一個(gè)困擾了學(xué)術(shù)界一百多年的問(wèn)題。1842年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾·法拉第（電磁感應(yīng)發(fā)現(xiàn)者）首次提出“冰的預(yù)融化”概念，指出冰表面在0℃以下就會(huì)開(kāi)始融化，也就是說(shuō)冰表面有水的存在。這就能夠解釋冰面的潤(rùn)滑現(xiàn)象、冰川的消融機(jī)制等問(wèn)題，但這個(gè)理論并不完美。

在學(xué)術(shù)界，“冰的預(yù)融化”機(jī)制到底什么樣，一直存在爭(zhēng)議。究其原因，想要一窺冰表面的真實(shí)情況，必須從原子尺度對(duì)冰進(jìn)行觀測(cè)。但過(guò)去的一百多年間，人類的研究手段無(wú)法達(dá)到這種精度要求，因此研究人員對(duì)冰表面一直是“霧里看花”。

江穎教授沒(méi)有被這個(gè)世紀(jì)難題嚇倒。用他的話說(shuō)，自己是一個(gè)“和水很有緣分”的人。不僅姓氏里帶水，自小生長(zhǎng)在岷江邊，他的博士生導(dǎo)師王恩哥院士做的研究恰好就是水的理論模擬。2012年一次偶然的機(jī)會(huì)，江穎教授聆聽(tīng)了一位英國(guó)教授所做的關(guān)于水的研究報(bào)告，自此對(duì)“水”這個(gè)課題開(kāi)始著迷。他開(kāi)始琢磨：怎樣才能“看見(jiàn)”水呢？

在江穎教授眼里，水分子就像是一個(gè)個(gè)的小人兒：“人的軀干就是水分子的氧，人的兩只手就是水分子里的兩個(gè)氫原子。水分子間靠氫鍵連接在一起，好比人和人之間手牽手。想要了解水分子的結(jié)構(gòu)，不光要知道水分子在什么地方，還要知道哪些水分子之間是牽手的，這個(gè)牽手的媒介就是氫原子?！?/p>

江穎教授敏銳地抓住了解析水分子結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的一環(huán)——?dú)湓印１M管水的理論研究已經(jīng)有足夠多的積累，但當(dāng)時(shí)有關(guān)水的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展仍然十分緩慢。氫原子的質(zhì)量和尺寸非常小，沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以直接看到水里邊的氫原子。“我暗暗下定決心，能不能發(fā)展一些技術(shù)直接看清楚水里面的氫？”就這樣，江穎教授決定為“冰表面”這碟醋，先來(lái)包盤(pán)餃子——他要研究出一種能夠“看見(jiàn)”水分子的技術(shù)。

用比納米小一千倍的針撥弄原子

水分子有多小？如果我們把一滴水放大到地球那么大，那么水分子在地球上只占小小一張書(shū)桌的地兒。如此迷你的小東西，想要“看見(jiàn)”它，常用的光學(xué)顯微鏡也愛(ài)莫能助。

好在學(xué)霸總是不走尋常路，江穎教授想到一個(gè)辦法：如果“看不見(jiàn)”水分子，那能不能“摸”到它呢？“水分子是帶電的，我們用一根帶電的針尖去掃描，是不是就能夠把帶負(fù)電的氧和帶正電的氫，通過(guò)靜電力的不同區(qū)分開(kāi)來(lái)？”

水分子已經(jīng)夠小了，能夠“觸摸”水分子的針尖得有多細(xì)？江穎團(tuán)隊(duì)找到一種非常細(xì)和尖的探針，它的最尖端大概就是一個(gè)原子的層次，比納米還要小，達(dá)到了皮米量級(jí)，比納米小一千倍。如果把一厘米放大成月球和地球之間的距離，那么一皮米大概相當(dāng)于十根頭發(fā)的粗細(xì)。

靠這個(gè)“盲人摸象”的辦法，江穎和他的學(xué)生們終于在2014年第一次“摸”出了水分子里的氫的圖像，也弄清楚了氫和氧到底是怎么排列的。“當(dāng)時(shí)我們非常興奮，這意味著水科學(xué)的研究可能進(jìn)入到一個(gè)全新的時(shí)代”。

然而，當(dāng)江穎教授興沖沖地準(zhǔn)備發(fā)表這個(gè)研究結(jié)果時(shí)，他們的論文卻遭受了審稿人的質(zhì)疑。“非常懷疑你們的結(jié)果是一種artifact（偽信號(hào)）?！边@份審稿意見(jiàn)一出，讓江穎瞬間感覺(jué)自己的論文被宣判了死刑。

研究成果不被學(xué)術(shù)界接受，江穎在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都在這個(gè)領(lǐng)域孤軍奮戰(zhàn)。但他沒(méi)有放棄，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果重新進(jìn)行了詳細(xì)的檢查之后，他和團(tuán)隊(duì)成員堅(jiān)信實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。在隨后的一次國(guó)際會(huì)議上，他結(jié)識(shí)了一位同樣對(duì)水分子成像感興趣的捷克科學(xué)家，對(duì)方一上來(lái)就是一頓猛夸，并說(shuō)：“我相信你們的結(jié)果是真實(shí)的，我有一些初步結(jié)果可以做出解釋?！?/p>

兩個(gè)學(xué)術(shù)“探路者”大佬相見(jiàn)恨晚，激動(dòng)之下會(huì)都不開(kāi)了，雙雙逃會(huì)，找了一個(gè)安靜的角落進(jìn)行交流。最后，在這位捷克科學(xué)家的幫助下，江穎團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，提出了一種全新的機(jī)制，即基于高階靜電力的qPlus掃描探針技術(shù)，并研發(fā)出中國(guó)第一臺(tái)光耦合qPlus型掃描探針顯微鏡。

有了這臺(tái)可稱神級(jí)的顯微鏡，江穎教授總算可以摘下水分子朦朧的面紗了?！拔覀儾还饪梢杂锰结槍?duì)水進(jìn)行成像，還可以去操縱它，撥弄原子。比如我們可以操縱鹽的溶解：首先把氯離子拎起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)空洞，然后把水分子塞到空洞里，就形成了鹽的溶解?！?/p>

2016年，江穎團(tuán)隊(duì)使用吸附了一個(gè)一氧化碳分子的原子級(jí)針尖，通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)埃米級(jí)分辨率的顯微鏡，呈現(xiàn)出了單個(gè)水分子的圖像，確定了氧原子與兩個(gè)氫原子的相對(duì)位置，相當(dāng)于給水分子“小人兒”標(biāo)注出了軀干和手。這個(gè)圖像完整、清晰，并且第一次讓人們“看”到了單個(gè)的水分子。這份研究報(bào)告一出，學(xué)術(shù)界的風(fēng)評(píng)為之一變，越來(lái)越多的同行大佬加入到對(duì)水分子的研究當(dāng)中。

兩種冰，還有水

餃子包好了，醋也該上桌了。鍛造出了“qPlus型掃描探針顯微鏡”這把利器之后，江穎教授終于可以回到“湖面是冰還是水”的問(wèn)題上來(lái)了。

高端的學(xué)霸，往往只采用最簡(jiǎn)單的研究方式。江穎教授將新型的掃描探針顯微鏡對(duì)準(zhǔn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的冰，然而，意想不到的事情發(fā)生了。在對(duì)冰表面進(jìn)行表征時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)其表面總是非常無(wú)序。他感到十分困惑：“按理說(shuō)，生長(zhǎng)溫度在零下100℃多可以得到有序的晶體結(jié)構(gòu)。但我們反復(fù)測(cè)量，得到的都是無(wú)序的結(jié)構(gòu)，這太讓人困惑了?！?/p>

但這正是水這種物質(zhì)令人著迷的地方?！八肿拥膹?fù)雜性不在于分子本身，而在于分子和分子之間怎樣組成了這種水的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)才是水最復(fù)雜的地方。一個(gè)水分子是簡(jiǎn)單的，但當(dāng)無(wú)數(shù)個(gè)水分子組成了人類看得見(jiàn)摸得著的‘水’的時(shí)候，它的結(jié)構(gòu)就變得千變?nèi)f化?！?/p>

隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地深入，江穎教授發(fā)現(xiàn)，冰表面的無(wú)序與溫度有關(guān)。在進(jìn)行系統(tǒng)的變溫生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，冰表面在零下153℃時(shí)就開(kāi)始融化。融化初期，原本長(zhǎng)程有序的超結(jié)構(gòu)中，會(huì)局部出現(xiàn)大小不一的晶疇。隨著生長(zhǎng)溫度的進(jìn)一步升高，冰表面的超結(jié)構(gòu)序完全消失。與此同時(shí)，在疇界附近會(huì)出現(xiàn)大面積的表面無(wú)序，這些區(qū)域中經(jīng)?？梢杂^察到一種局域的平面化局域結(jié)構(gòu)（PLS）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)PLS是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，在冰面初期融化的時(shí)候易出現(xiàn)，它的形成涉及到層間、層內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)的斷鍵和成鍵，會(huì)引發(fā)周圍區(qū)域的大面積無(wú)序，就像是融化的啟動(dòng)器一樣。只有當(dāng)溫度達(dá)到零下153℃，冰的表面才不再融化，這時(shí)候，我們就可以看到冰表面真正的樣子了。

真相令人驚喜又意外，研究人員在顯微鏡下開(kāi)出了一個(gè)“雙黃蛋”。原來(lái)在冰表面，竟然存在兩種“冰”：一種叫六角密堆（lh），自然界中的雪就是這種結(jié)構(gòu)；還有一種叫立方密堆（lc），結(jié)構(gòu)略有不同。這兩種大小規(guī)則的“冰”彼此交替排列，組成了一種超結(jié)構(gòu)。它們之間是晶界，溫度在零下153℃以下時(shí)，這種超結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，甚至比過(guò)去普遍認(rèn)為的理想冰表面更加穩(wěn)定。但只要溫度略微升高幾度，冰就會(huì)從晶界開(kāi)始發(fā)生預(yù)融化。

考慮到預(yù)融化開(kāi)始的溫度與地球目前測(cè)得的最低溫度大致相當(dāng)，這表明在自然環(huán)境中，大多數(shù)冰表面已經(jīng)處于預(yù)融化的狀態(tài)。如果你想要得到一塊“不含一滴水”的冰塊，放眼整個(gè)地球，很可能找不到，地球上溫度最低的地方——南極，溫度也不過(guò)零下90℃左右。也就是說(shuō)，江穎教授在未名湖拍下的結(jié)冰湖面，表面確實(shí)是有水的！

江穎和團(tuán)隊(duì)的研究成果顛覆了長(zhǎng)久以來(lái)學(xué)術(shù)界對(duì)于冰表面結(jié)構(gòu)和預(yù)融化機(jī)制的認(rèn)知，后續(xù)可能對(duì)大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。他發(fā)表在《自然》雜志上的冰表面原子分辨成像的圖像，也讓無(wú)數(shù)學(xué)術(shù)大佬直呼不可思議。一位審稿人贊嘆說(shuō)：“這是前所未有的分辨率?！边€有人說(shuō)，這篇論文是他“多年來(lái)閱讀過(guò)的最令人印象深刻且完整的論文之一”。好不容易打了翻身仗，當(dāng)然要乘勝追擊。江穎教授緊接著又在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了第二篇和“水“有關(guān)的論文《原子尺度上探測(cè)二維水輸運(yùn)的結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑》（Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution），并且后續(xù)有關(guān)的研究仍在持續(xù)進(jìn)行中?？磥?lái)，這和“水”有關(guān)的課題，還值得再多“水”幾篇論文。

責(zé)任編輯：陳思