北大团队利用自研国产科学仪器获重大突破

“实现原子级分辨率的核心器件是这个qPlus传感器，它是我们自己手工做的，可以看到上面的胶痕还不太规整。”5月23日，北京大学物理学院教授、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台负责人江颖告诉科技日报记者，基于它可以实现国际领先的高分辨率成像，看到最小的原子氢原子。

利用自主研发、依托中科艾科米公司转化的国产qPlus型扫描探针显微镜，北京大学江颖教授、徐莉梅教授、王恩哥院士联合研究团队首次获得了六角冰（自然界最常见的冰）表面的原子级分辨图像。该成果5月22日发表于《自然》杂志。

研究人员提供的一组对比图显示，同样是冰表面成像，一张棱角分明，可以清晰展示微观视界中的氢键；而另一张的边界相对模糊，难以分辨细节。

团队用进口设备进行了前期探索性工作（上排两张）， 后期用自主研制设备得到了更高质量数据（下排两张）

“利用我们的国产设备，可以获得更加清晰的成像。”江颖介绍，以这里的五边形、八边形为例，对应看进口设备成像的图，较难区分其边数。

据介绍，江颖团队长期致力于高分辨扫描探针显微镜的自主研发和应用，创新性地发展出了基于高阶静电力的qPlus扫描探针技术，此前已在国际上率先实现氢核的成像。为了突破绝缘体成像难，团队此次开发了一种通用的一氧化碳分子修饰针尖技术，可对各种绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像，并得到比进口设备更高质量的数据。

基于上述设备提供的原子级分辨率条件，团队对不同温度、气压的冰表面进行观察，发现了一种由六角和立方两种堆垛方式交替排列形成的结构。团队还发现在零下153℃左右，这两种堆垛才会形成规则的三角晶格，处于真正的晶体状态。随着温度的升高，三角形晶格会越来越不规则，最后变成无序状态。也就是说早在0℃以下，甚至零下100℃时冰已经开始融化。

江颖表示，冰在大气中普遍存在，且对自然现象的发生起到关键作用，此次研究从微观层面回答了冰具有润滑特性、催化活性等科学问题。例如冰对臭氧分解具有催化作用，可能是由于冰表面预融化时出现的缺陷态中存在可以发生催化反应的分子键。

《自然》杂志审稿人评价，采用qPlus型扫描探针显微镜对冰表面进行原子级成像是一项重大技术创新，所获得的分辨率在冰表面成像中是前所未有的。该发现将对大气科学、材料科学等多个领域产生深远影响。