散步未名湖，“水”出顶刊论文

北京大学未名湖畔，“一塔湖图”的美景引人入胜。不过，同样是观赏未名湖，北大物理学院教授江颖“只是因为在人群中多看了你一眼”，就灵感爆棚，研究形成了一篇题为《冰表面结构和预融化过程的原子分辨成像》（Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution）的论文，并于5月22日发表在了科学界顶级刊物《自然》（Nature）杂志上。

散步散出一篇论文

几年前，江颖教授冬天在未名湖边散步时就曾注意到湖面上荡漾着一圈圈的涟漪。寒冬腊月里的湖面竟然没有结冰？他觉得很诧异，于是用手去触摸那些水纹，却意外地发现那些水纹的表面是凝固的。这种又像水又像冰的现象立刻引发了他的探究欲，江颖教授马上拍了张照片发在朋友圈并发问：“湖面上是水还是冰？”

学霸的朋友圈尽是学霸，评论区一下炸开了锅，吸引了诸多“学术大佬”的讨论，虽然大家的猜想各有不同，但有一点相同：冰表面这个课题，确实值得研究一番。江颖马上回复说：“好主意，设计个实验试试！”

或许在一般人看来，这个研究课题有些无厘头，冰的表面难道不是冰吗？但实则不然。“冰表面的结构究竟是什么”其实是一个困扰了学术界一百多年的问题。1842年，英国科学家迈克尔·法拉第（电磁感应发现者）首次提出“冰的预融化”概念，指出冰表面在0℃以下就会开始融化，也就是说冰表面有水的存在。这就能够解释冰面的润滑现象、冰川的消融机制等问题，但这个理论并不完美。

在学术界，“冰的预融化”机制到底什么样，一直存在争议。究其原因，想要一窥冰表面的真实情况，必须从原子尺度对冰进行观测。但过去的一百多年间，人类的研究手段无法达到这种精度要求，因此研究人员对冰表面一直是“雾里看花”。

江颖教授没有被这个世纪难题吓倒。用他的话说，自己是一个“和水很有缘分”的人。不仅姓氏里带水，自小生长在岷江边，他的博士生导师王恩哥院士做的研究恰好就是水的理论模拟。2012年一次偶然的机会，江颖教授聆听了一位英国教授所做的关于水的研究报告，自此对“水”这个课题开始着迷。他开始琢磨：怎样才能“看见”水呢？

在江颖教授眼里，水分子就像是一个个的小人儿：“人的躯干就是水分子的氧，人的两只手就是水分子里的两个氢原子。水分子间靠氢键连接在一起，好比人和人之间手牵手。想要了解水分子的结构，不光要知道水分子在什么地方，还要知道哪些水分子之间是牵手的，这个牵手的媒介就是氢原子。”

江颖教授敏锐地抓住了解析水分子结构最关键的一环——氢原子。尽管水的理论研究已经有足够多的积累，但当时有关水的实验研究进展仍然十分缓慢。氢原子的质量和尺寸非常小，没有任何实验技术可以直接看到水里边的氢原子。“我暗暗下定决心，能不能发展一些技术直接看清楚水里面的氢？”就这样，江颖教授决定为“冰表面”这碟醋，先来包盘饺子——他要研究出一种能够“看见”水分子的技术。

用比纳米小一千倍的针拨弄原子

水分子有多小？如果我们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张书桌的地儿。如此迷你的小东西，想要“看见”它，常用的光学显微镜也爱莫能助。

好在学霸总是不走寻常路，江颖教授想到一个办法：如果“看不见”水分子，那能不能“摸”到它呢？“水分子是带电的，我们用一根带电的针尖去扫描，是不是就能够把带负电的氧和带正电的氢，通过静电力的不同区分开来？”

水分子已经够小了，能够“触摸”水分子的针尖得有多细？江颖团队找到一种非常细和尖的探针，它的最尖端大概就是一个原子的层次，比纳米还要小，达到了皮米量级，比纳米小一千倍。如果把一厘米放大成月球和地球之间的距离，那么一皮米大概相当于十根头发的粗细。

靠这个“盲人摸象”的办法，江颖和他的学生们终于在2014年第一次“摸”出了水分子里的氢的图像，也弄清楚了氢和氧到底是怎么排列的。“当时我们非常兴奋，这意味着水科学的研究可能进入到一个全新的时代”。

然而，当江颖教授兴冲冲地准备发表这个研究结果时，他们的论文却遭受了审稿人的质疑。“非常怀疑你们的结果是一种artifact（伪信号）。”这份审稿意见一出，让江颖瞬间感觉自己的论文被宣判了死刑。

研究成果不被学术界接受，江颖在很长一段时间里都在这个领域孤军奋战。但他没有放弃，在对实验结果重新进行了详细的检查之后，他和团队成员坚信实验结果的正确性。在随后的一次国际会议上，他结识了一位同样对水分子成像感兴趣的捷克科学家，对方一上来就是一顿猛夸，并说：“我相信你们的结果是真实的，我有一些初步结果可以做出解释。”

两个学术“探路者”大佬相见恨晚，激动之下会都不开了，双双逃会，找了一个安静的角落进行交流。最后，在这位捷克科学家的帮助下，江颖团队通过反复实验和验证，提出了一种全新的机制，即基于高阶静电力的qPlus扫描探针技术，并研发出中国第一台光耦合qPlus型扫描探针显微镜。

有了这台可称神级的显微镜，江颖教授总算可以摘下水分子朦胧的面纱了。“我们不光可以用探针对水进行成像，还可以去操纵它，拨弄原子。比如我们可以操纵盐的溶解：首先把氯离子拎起来，产生一个空洞，然后把水分子塞到空洞里，就形成了盐的溶解。”

2016年，江颖团队使用吸附了一个一氧化碳分子的原子级针尖，通过可以实现埃米级分辨率的显微镜，呈现出了单个水分子的图像，确定了氧原子与两个氢原子的相对位置，相当于给水分子“小人儿”标注出了躯干和手。这个图像完整、清晰，并且第一次让人们“看”到了单个的水分子。这份研究报告一出，学术界的风评为之一变，越来越多的同行大佬加入到对水分子的研究当中。

两种冰，还有水

饺子包好了，醋也该上桌了。锻造出了“qPlus型扫描探针显微镜”这把利器之后，江颖教授终于可以回到“湖面是冰还是水”的问题上来了。

高端的学霸，往往只采用最简单的研究方式。江颖教授将新型的扫描探针显微镜对准了实验室环境中的冰，然而，意想不到的事情发生了。在对冰表面进行表征时，他们发现其表面总是非常无序。他感到十分困惑：“按理说，生长温度在零下100℃多可以得到有序的晶体结构。但我们反复测量，得到的都是无序的结构，这太让人困惑了。”

但这正是水这种物质令人着迷的地方。“水分子的复杂性不在于分子本身，而在于分子和分子之间怎样组成了这种水的网络结构。这个结构才是水最复杂的地方。一个水分子是简单的，但当无数个水分子组成了人类看得见摸得着的‘水’的时候，它的结构就变得千变万化。”

随着实验进一步地深入，江颖教授发现，冰表面的无序与温度有关。在进行系统的变温生长实验时，他们发现，冰表面在零下153℃时就开始融化。融化初期，原本长程有序的超结构中，会局部出现大小不一的晶畴。随着生长温度的进一步升高，冰表面的超结构序完全消失。与此同时，在畴界附近会出现大面积的表面无序，这些区域中经常可以观察到一种局域的平面化局域结构（PLS）。

经过计算，他们发现PLS是一个亚稳态，在冰面初期融化的时候易出现，它的形成涉及到层间、层内氢键网络的断键和成键，会引发周围区域的大面积无序，就像是融化的启动器一样。只有当温度达到零下153℃，冰的表面才不再融化，这时候，我们就可以看到冰表面真正的样子了。

真相令人惊喜又意外，研究人员在显微镜下开出了一个“双黄蛋”。原来在冰表面，竟然存在两种“冰”：一种叫六角密堆（lh），自然界中的雪就是这种结构；还有一种叫立方密堆（lc），结构略有不同。这两种大小规则的“冰”彼此交替排列，组成了一种超结构。它们之间是晶界，温度在零下153℃以下时，这种超结构很稳定，甚至比过去普遍认为的理想冰表面更加稳定。但只要温度略微升高几度，冰就会从晶界开始发生预融化。

考虑到预融化开始的温度与地球目前测得的最低温度大致相当，这表明在自然环境中，大多数冰表面已经处于预融化的状态。如果你想要得到一块“不含一滴水”的冰块，放眼整个地球，很可能找不到，地球上温度最低的地方——南极，温度也不过零下90℃左右。也就是说，江颖教授在未名湖拍下的结冰湖面，表面确实是有水的！

江颖和团队的研究成果颠覆了长久以来学术界对于冰表面结构和预融化机制的认知，后续可能对大气科学、材料科学等多个领域产生深远的影响。他发表在《自然》杂志上的冰表面原子分辨成像的图像，也让无数学术大佬直呼不可思议。一位审稿人赞叹说：“这是前所未有的分辨率。”还有人说，这篇论文是他“多年来阅读过的最令人印象深刻且完整的论文之一”。好不容易打了翻身仗，当然要乘胜追击。江颖教授紧接着又在《科学》杂志上发表了第二篇和“水“有关的论文《原子尺度上探测二维水输运的结构超润滑》（Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution），并且后续有关的研究仍在持续进行中。看来，这和“水”有关的课题，还值得再多“水”几篇论文。

责任编辑：陈思