领创北京 | 解码坚冰

金波双激射，璧彩两参差。诗词中的月夜湖面，在月光照射下浮现璀璨的波光，仿佛泛着涟漪。凑近看，湖面早已结冰，就连起伏的波纹都是硬邦邦的。

“冬日湖面，到底是冰还是水？”多年前，一次在未名湖畔散步时的好奇发现，把诗情画意的场景拉回了现实，引发了北京大学物理学院教授、“80后”博士生导师江颖的一系列思考：冰表面到底长什么样？在多少摄氏度的环境下冰面就已经开始融化了？

问题背后是关于冰表面结构以及预融化的讨论。此前，由于冰与水的实验研究无法达到原子尺度，导致一直没有科学家能给出确切的答案。谁实现了冰表面的原子级分辨成像，就掌握了破解冰密码的钥匙。

10多年来，江颖一直在啃这块“硬骨头”。他带领团队自主研发出国产第一台qPlus（品质因子增强）型扫描探针显微镜，将冰和水的研究推向了原子级的微观尺度，在世界范围内首次看清冰表面并定位到了最小的原子——氢原子。一系列有关冰的未解之谜也迎刃而解。

江颖调试qPlus型扫描探针显微镜

研制识冰针尖

水结冻成冰，冰融化成水，在我们的生活中很常见。然而，从原子层面来观察并看透这一自然现象，却是多年待解的难题。早在1842年，著名科学家法拉第就曾提出，冰表面会在0摄氏度以下就开始融化的概念。此后的180多年间，科学家们一直通过理论和实验研究，试图看透冰与水，探寻表面融化的秘密。

江颖坚信，眼见为实。他说，在微观世界里，扫描探针显微镜就是科学家研究表面结构的一双可靠的“眼睛”。这类显微镜的前端有一根原子级尖锐的探针，通过它去触碰物体表面，就可以得到原子级的形貌特征，从而探测结构。

在很长一段时间里，我国使用的高端扫描探针显微镜依赖进口，由于空间分辨率和传感器灵敏度的局限，就算拥有了这双“眼睛”，也很难看清原子级的冰表面结构——“就像用肉眼眺望一片高树杈上的树叶，只能看到叶片的大致形状，难辨脉络细节。”江颖这样描述。

科学理论中完美的六角形冰结构，仿佛只出现在教科书中。

经过江颖和团队师生10多年的不懈奋斗，我国终于拥有了目前为止世界上探测原子级表面最明亮的“眼睛”——qPlus型扫描探针显微镜。记者在北大物理学院地下二层的实验室里，见到了一台它的生产样机。

外行人看来，这台显微镜外形奇特，身披银甲、三头六臂，从主体机身向外伸出数不清的管道。用专业术语讲，这是融合了分子束外延设备、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等实验设备的联合系统。

“原子尺度下的物理实验对环境的要求非常苛刻，通常需要超高真空、极低温的条件，才能达到实验目标。”江颖指着其中一根管道，耐心地解释，“从这里注入液氮，可以使实验温度降至零下260多摄氏度。”而管道外的银甲，则是为了保温而包裹的热屏蔽层。

记者绕着它观察一圈，也没找到光学显微镜上常见的目镜、物镜和载物台，不禁好奇：“显微镜的‘眼睛’在哪儿？”

“从这个窗口往里看，有个银色的小房子，探针就在里面。”江颖指着显微镜上的一个透明玻璃窗口，打了个比方：一般光学显微镜是用眼睛看放大的物体，而探针显微镜的原理如同盲人摸象，探针就是“手”。通过监测探针与材料之间由于量子力学原理产生的电流、力等信号，就能描绘出材料的表面形态。

这根小小的探针，是显微镜研发中最难的部分。原子级尖锐的针尖通常是在导电的金属衬底上制备出来的。但是冰表面恰好是绝缘体，无法使用常规操作。于是，江颖想到个“笨办法”——先在金属表面制备好合适的针尖，然后将它转移到冰表面进行扫描。听起来很简单的过程，实践时却生出不少问题。“比如，把针尖从一个表面转移到另一个表面后，针尖的尖端结构以及吸附的单分子很容易变化，很难保证还能维持在原来的最佳状态。”他说。

经过无数次改进，团队开发出一种通用的一氧化碳分子修饰针尖技术，成功解决了针尖无损转移的问题，可以在任何绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像。

在探针的扫描下，一张冰表面的结构图终于现身，得到的结果却和预想的大相径庭。人们一般认为，水在0摄氏度以下就结冻成固体冰了，内部结构应该是有序的晶体，表面上仍是无序的液态。但是在零下100多摄氏度时，冰面的这层液体应该也会变成晶体，江颖解释，“按理说，冰表面在零下100多摄氏度应该呈现出有序的晶体结构。但我们反复测量，得到的都是无序的结构，太困惑了！”

难道，冰表面在零下100多摄氏度已经开始融化了？

带着这个疑问，团队进行了系统的变温生长实验，最终发现其实冰表面的预融化温度非常低，在零下153摄氏度就开始融化了。团队通过显微镜得到的无序结构都是融化了的冰表面，而其晶化的结构则需要在非常狭窄的温度区域内才能找到。

这一结论不仅直接颠覆了长久以来人们对冰表面结构和预融化机理的传统认知，也为生活中一个常见的现象找到了答案：冰为什么这么滑？“其实，在我们日常环境中所能接触到的冰面，都已经发生了预融化现象。这意味着，就算在零下50多摄氏度的东北，冰表面也有一层薄薄的水。”江颖用最朴素的物理知识解释，“水在一定程度上会减少摩擦力，这才导致人踩在冰上容易打滑。”

江颖团队自行研制并国产化的qPlus型扫描探针 显微镜

针尖上的“绝活”

谈起和水相关的科学问题，平日里话不多、有些腼腆的江颖，就像打开了话匣子。他对水的好奇，从孩童时期就已经萌芽了。

一粒盐掉进水里，会发生什么？还是小学生的江颖就好奇地想搞清楚，掉进水里的盐粒为什么消失不见了。上了初中化学课，他才明白，在水的作用下，盐会溶解成一个个盐离子，这些盐离子又会跟水分子结合成为水合离子。

可是，水分子实在太小了，不仅肉眼看不到，也很难使用专业仪器去定位和追踪。江颖解释：“水分子由氧原子和氢原子组成，水分子与水分子之间则由氢键链接，氢原子就像水分子的双手，‘牵’住两侧的水分子，从而形成复杂的网络结构。可是，排在元素周期表第一位的氢原子尺寸和质量太小，同时还具有很强的量子效应。所以要想看到氢原子，非常困难。”

这个问题同样困扰着全世界的科学家们。2005年，《科学》杂志在创刊125周年之际公布了125个最具挑战性的科学问题，其中一个问题就是：水的结构是什么？

如今，江颖通过自己研发的探针显微镜，不仅在世界上首次实现了水分子中氢原子的直接成像和定位，还成为了第一个“看见”冰表面微观结构的人。

“世界第一”的底气，来源于他练就的一手针尖上的“绝活”。 1999年，江颖考入了北京师范大学物理系，当时的梦想是当一名酷酷的中学物理老师。 可惜事与愿违，本科期间江颖的教学技能课只考了70多分，用他的话说就是，“自己能学明白，但给别人讲不明白。 ”而他学得最好的专业课是令多数学生摸不着头脑的量子力学，成绩接近满分。

于是，江颖只好暂时放下了当老师的念想，继续走学术科研这条路。 2003年，江颖进入中国科学院物理研究所跟随中国科学院院士王恩哥攻读博士学位，导师高瞻远瞩的科研视野和独特的学术品位给江颖留下了深刻的印象，他时常告诫江颖做研究一定要贴上自己的标签。 江颖暗暗下定决心，一定要练就一门实验“绝技”，做不一样的研究。 2008年，获得博士学位的江颖，在王恩哥的推荐下来到美国加州大学欧文分校物理系从事博士后研究。

这是一个完全基于自主研发设备来开展独特实验的课题组，主攻尖端扫描隧道显微镜技术。

让他没想到的是，一开始他被导师派到了一个车间做零件，“技工活”一干就是4个月。每天早起先用软件画图设计零件，下午按照图纸去车间用铣床、车床把零件加工出来，晚上回到实验室组装、测试。一开始技术不熟练，做出的零件尺寸频频出问题，江颖经常需要在深夜一两点去车间返工，三四点回家是常事。

零件加工时需要站着作业，时间长站累了，江颖就坐下休息一会儿，利用这点时间读文献，尽快弥补自己在基础知识上的欠缺。每次凌晨到家，江颖都感觉饥肠辘辘，煮一袋泡面成了最幸福的时刻。“尽管已经特别注意了，但开火、洗碗的动作难免弄出一些声响，当时房间里还住着合租的室友，他们向房东投诉了我奇怪的作息习惯。”江颖无奈地说，后来自己索性直接在上下班路上多买些面包，留给半夜充饥。

面对长时间、连轴转式的工作模式，江颖从没有一句怨言，因为他明白，自己需要通过努力向导师证明可以在实验中担当重任。后来，历经重重磨炼后，江颖的动手能力迅速提升，逐渐能跟上实验室科研人员的进度，导师也慢慢让他上手接触一些核心实验。

当时，课题组集中火力想要做出一个全新的扫描探针显微镜系统，用来探测一个很微弱的超快隧道电流信号。“我几乎把所有时间都扑在仪器的设计、加工、组装、测试上，可到头来它根本无法正常工作。”江颖不甘心近两年的努力就这样付诸东流。更让他郁闷的是，后来复盘这项研究时，他发现这个仪器从原理层面就出现了问题。

失败和弯路是科研的常态。这也让江颖更加坚定，创新性的仪器是实验科学的根本，只有用独特的仪器，才能看别人看不到的东西，做别人做不到的事。

从“最小”到“极大”

造世界一流的设备，一直是江颖深埋心中的梦想。 2010年江颖进入北大成立课题组时，国际上有几十个科研团队，都瞄准着扫描探针显微镜领域摩拳擦掌，希望能看透水分子。 江颖说，这是一场挑战极限的竞争，不仅需要技术上的精进，还可能需要开拓一些全新的探测原理。

音叉是物理课常用的实验器材，它的振动频率非常精准。除了能在物理科研应用外，它还在医学上用于测试病人的听力；在工业上则化身音叉物位计用于控制物位的开关。“当一个音叉受到了外力作用，它振动的频率就会发生变化，利用这种频率变化可以对外界的力进行探测。”江颖随手从实验柜里拿出一个“Y”字形音叉，熟练地介绍着背后的物理原理。

“音叉对力的灵敏度是不是可以用来探测氢原子？”这个突然冒出的念头，让江颖既惊喜又忐忑——“我知道这种想法很跳跃，以前从来没有人把这两样东西放到一起研究。”

此后的6年里，江颖带领团队自制了一款基于石英音叉的qPlus力传感器，通过优化音叉的设计，大幅提升了音叉的品质因子和探测力的灵敏度，超越了进口的qPlus力传感器，并通过探测针尖与水分子之间极其微弱的高阶静电力，首次看到了水分子中的氢原子。第二个6年，他们一次次刷新了扫描探针显微镜灵敏度和分辨率的纪录，获得了20皮米精度的图像——“皮米，一个极微小的长度单位，是纳米的千分之一。”江颖详细科普，1皮米等于1米的一万亿分之一。

2022年，团队终于成功搭建了我国首台qPlus型扫描探针显微镜，并完成了专利的成果转化。 如今，江颖还能清晰地记得，他透过这台探针显微镜，第一次看清冰表面微观结构的场景。 两年前的一个晚上，他结束了日常工作，像往常一样来实验室转一圈，看看学生们的实验情况。 深夜里的物理实验室，数台仪器发出“呜呜”的运转声，除此之外，几乎听不到其他噪声。 由于原子级的物理实验对环境要求极高，白天行人、车辆，甚至地铁从地下飞驰而过产生的振动，都会影响实验数据的稳定性。 所以每到深夜，这间物理实验室总亮着灯，实验仪器持续运转，几乎随时都有学生轮流值守。

那天，电脑屏幕上，出现了一张图——“第一眼看上去，图像非常清晰，不仅可以清楚地看到每个水分子的位置，还可以分辨水分子的氢原子取向。”江颖惊喜地发现，这是此前从未获得过的冰表面原子级分辨图像。后来，经过一系列的对比和验证，团队对外发布了这张图像——世界上第一张为冰表面拍摄的原子级清晰“定妆照”，多篇成果论文接连发布在《科学》《自然》等国际期刊上。

一直徜徉在微观世界的江颖，对宏观世界也有“野心”——他希望用“最小”尺度的研究解决“大”问题。

近年来，江颖开始考虑如何将核量子效应研究从水推广到更为普遍的轻元素体系，通过人工调控核量子效应，期望能改变凝聚态物质的研究范式，寻找超越传统理论框架的新奇宏观物态。

他还希望将研究成果普及到人们的日常生活中。比如，他希望利用水的微观机制来破解高效水解制氢的难题。氢能源是公认的清洁能源，发展氢能源将极大助力于我国碳中和目标的实现。而依靠电解水反应，是产生氢气的一个重要途径。此外，他还正在研究受限条件下的离子水合和脱水过程，为海水淡化中高效分离水和盐离子的过程提供新的解决方案。

江颖的心愿正在走向现实。今年5月，北大在怀柔科学城落地的又一重大科研项目——轻元素量子材料交叉平台启动运行。作为负责人，江颖见证了平台从设计雏形到落地运行的整个过程。

目前，平台设有量子材料设计与预测、量子材料精确制备、量子物性精准探测与调控、量子器件加工与测试4个研究部门，正在开展从基础理论、实验技术、材料制备到器件探索的全链条、开放式的前沿交叉研究。“在这里，我们期望研究环境友好的轻元素量子材料，实质性推进量子材料的实际应用。”

看透冰与水，只是江颖迈出的第一步。把水的微观结构和动力学研究成果带到能源、生物、环境、材料等领域，解决那些与人类生存和发展相关的实际问题，才是他更长远的目标。

来源：北京日报

记者：何蕊