冰，為什么這么滑？

 　　▲江穎在自行研發的掃描探針顯微鏡旁

“欲渡黃河冰塞川，將登太行雪滿山。”北方的冬季寒冷而多冰雪，湖面由凌波碧水到千里冰封，由水流潺潺化作了光滑無痕的鏡面。

大家或許都有這樣的體驗，你一腳輕踩在冰面上，往往沒有踏實的觸感，而是一場突如其來的“冰上華爾茲”。你一邊努力維持平衡，一邊心中嘀咕：“這冰面，為何這么滑？”

冬季漫步在未名湖畔，看著冰封的湖面，物理學院江穎教授同樣陷入了沉思。當微風漸起，冰面上的枯葉殘枝翩翩起舞，科學家求索問道的心神也被悄然喚起?？茖W來源于生活，對大自然的好奇使江穎教授對冰面上的“無摩擦運動”懷有極大的科學熱忱，萌生了一觀入微、深究到底的想法，不由自覺地想和冰來一場格物致知的理論邂逅。

披著水膜的冰

“冰，為什么這么滑？”這看似不是問題的問題，苦苦困擾了人類上百年。自 19 世紀中期至今，科學界圍繞冰表面的研究一刻也沒有停止。而當人們把冰塊搬進實驗室，一睹冰面之真顏，那肉眼看不見的水膜，便是可求證的真理。

這層水膜被英國物理學家法拉第稱為“預融化層”，極薄、呈液態，即便在零度以下亦可融化形成，正是它充當著高效的潤滑劑，使冰與接觸物之間的摩擦顯著減小，才讓冰面如此絲滑。

然而，法拉第提出的“預融化層”的設想并不能完全使人們滿足，反而開啟了長達 170 多年的激烈討論：眾所周知，水達到 0℃或者低于 0℃就會凝固成冰，那么為何在氣溫零下 50 多攝氏度的高緯度地區，人們行走在冰面上依然很滑？神秘的“預融化層”究竟有著怎樣的結構和機制？正是這些問題吸引著一代又一代的研究者砥礪前行，使原本抽象的概念在日益精細的觀察研究中變為具象。

可喜的是，近日，北京大學江穎教授及其團隊憑借利用自主研發并商業化的國產“qPlus 型掃描探針顯微鏡”，終于使我們看到了科學真理的曙光。通過運用先進儀器，江穎團隊首次突破過往光譜學研究手段的衍射極限，在實空間得到了六角冰準確的原子尺度信息，并對冰表面的“預融化”過程進行了原子級分辨成像，終于徹底解開了“冰，為什么這么滑？”這道百年謎題。

原來，冰表面在零下153攝氏度就會開始融化，遠低于此前相關研究中普遍認為的零下 70 攝氏度左右。也就是說，在人類生存的自然環境中，大多數冰表面已經處于近乎液態的狀態。這項研究成果以《冰表面結構和預融化過程的原子分辨成像》為題，于 5 月 22 日在《自然》雜志正式發表，顛覆了長期以來的傳統認知，一舉結束了有關冰表面結構和預融化機制的漫長爭論。

窺探冰宇宙的“獨門絕技”

或許有人會疑惑，利用顯微鏡觀測微觀世界的實踐早已有之，為何江穎團隊的研發與觀測如此令人驚嘆？

事實上，微觀結構遠比人們想象中更加復雜。無論是光譜分析還是電子衍射，都難以擺脫空間分辨率低的局限，如同隔霧看花，只得大致形狀，難察脈絡細節。近年來不少實驗都敏銳地捕捉到了在低溫下冰表面結構的微妙變化，卻因為缺少更為精細的觀察工具難以更進一步，難免令人遺憾。在這種情況下，江穎團隊長期深耕于高分辨掃描探針顯微鏡研發領域而練就的“獨門絕技”便有了用武之地。

所謂“掃描探針顯微鏡”，其獨特之處便在于“探針”，它如同一只靈活的手，能夠觸摸事物表面，描繪復雜難見的形貌特征。如果說“掃描探針顯微鏡”是我們探究微觀世界最可靠的伙伴，那么“qPlus型掃描探針顯微鏡”則憑借高靈敏度的品質因子增強型傳感器，成為掃描探針顯微鏡家族的眾多成員中獨領風騷的佼佼者。從優化傳感器設計、修飾針尖、調控針尖電荷分布，到原子級成像，江穎團隊一路攻堅克難，創新發展了一套基于高階靜電力的qPlus掃描探針技術，這不僅在國際上率先實現氫核的成像，更為觀測完全絕緣的冰表面奠定了基礎。

江穎團隊的成功汲取了學界前輩的智慧與經驗、仰賴于團隊成員數年如一日的艱苦努力，也離不開平臺強有力的支持。為了加強基礎科學研究，2020年8月，北京大學與懷柔科學城共同建立了“輕元素量子材料交叉平臺”，作為北京市交叉研究平臺項目之一，該平臺由江穎“揭榜掛帥”，建設、運行、研究同時展開。資金投入、空間改造、設備安裝，掃清后顧之憂，使江穎團隊能夠“集中精力搞研究”。他們也不負眾望，于2022 年一舉突破 qPlus 關鍵技術“卡脖子”難題，自行研發出了qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡的品質因子和振幅噪音等核心參數達到國際領先水平。

江穎團隊沒有守著先進技術畫地為牢，而是懷有更大的抱負。不久后，該團隊與中科艾科米（北京）科技有限公司合作，通過技術成果轉讓、校企聯合攻關，最終實現了該系統的整機國產化替代，使“國產 qPlus 型掃描探針顯微鏡”在國際高端掃描探針顯微鏡領域擁有了一席之地。

“國產掃描探針顯微鏡得到了比進口設備更高質量的數據，為冰表面結構解析提供了關鍵支撐?！苯f簡單的話語中不乏驕傲之情。而從校企合作到產教融合，國產掃描探針顯微鏡的精彩蝶變之路，也正是我國基礎研究和工業領域創新發展的生動縮影之一。

擁抱“冰”的無限可能

利用“qPlus型掃描探針顯微鏡”這一“國產之眼”，江穎團隊發現了冰表面作為潤滑劑存在的一層液態水，也解釋了滑冰者可以在冰面疾馳而過的根本緣由。然而，即便在最光潔如鏡的冰面上，滑冰者最終也會停下來。這說明，即便冰表面摩擦力已然很小，但依然存在。

那么，是否存在一種“無摩擦”的冰呢？

江穎團隊用真切的觀察給出了肯定的答案。在研究冰表面結構的過程中，他們不僅還原了“預融化”過程，還捕捉到一種出人意料的“超潤滑”現象。

在傳統認識中，液體在固體表面流動時，會受到摩擦力的阻礙。但在微觀世界里則不同，當水通道的尺寸小到幾個納米甚至亞納米的時候，水分子在石墨烯等特定材料的表面就能滑行自如，摩擦力幾乎為零。用江穎教授的話來說：“納米通道中的水流不再是簡單的液體流，而可能形成類冰的超潤滑輸運。”這項成果以《原子尺度上探測二維水輸運的結構超潤滑》為題，于 6 月 14日發表在《科學》雜志上，為我們理解微觀尺度下水的超快輸運提供了新的認識，并將進一步推動納米流體工程和納米摩擦學的發展。

這種“超潤滑性”具有巨大的可開發性，也意味著，江穎團隊的研究不僅將既定常識打碎重塑，更有走下理論神壇，在與人類生活息息相關的眾多領域大顯身手的潛力。海水淡化、污水凈化、水力發電……“無摩擦的冰”都可能發揮神奇的作用，將在未來打開令人神往的實踐空間。

比如，通過石墨烯納米通道過濾，水分子可以毫無阻礙地通過，而鹽分和其他雜質則被留在通道外，從而實現更高效、更環保的水資源利用；又如利用超潤滑納米通道，可以使水流更加高效地推動渦輪旋轉，進而產生電能……隨著技術的不斷進步，納米流體的超潤滑操控必將成為推動未來科技創新的重要力量，為人們創造更加清潔、健康的生活環境。

至此，冰表面的面紗已被揭開一角，冰的神秘世界不再遙不可及。而對江穎及其團隊、對無數孜孜以求的物理學研究者們來說，邁上“探冰”之旅、研究冰結構只是起點，發展冰科學永無止境。在懷瑾握瑜、風禾盡起的新征程中，在“超潤滑”的新賽道上，我國新質生產力發展必將越走越遠。