科技日?qǐng)?bào)記者 張佳星

“實(shí)現(xiàn)原子級(jí)分辨率的核心器件是這個(gè)qPlus傳感器，它是我們自己手工做的，可以看到上面的膠痕還不太規(guī)整。”5月23日，北京大學(xué)物理學(xué)院教授、北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心輕元素量子材料交叉平臺(tái)負(fù)責(zé)人江穎告訴科技日?qǐng)?bào)記者，基于它可以實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先的高分辨率成像，看到最小的原子氫原子。

利用自主研發(fā)、依托中科艾科米公司轉(zhuǎn)化的國(guó)產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，北京大學(xué)江穎教授、徐莉梅教授、王恩哥院士聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次獲得了六角冰（自然界最常見的冰）表面的原子級(jí)分辨圖像。該成果5月22日發(fā)表于《自然》雜志。

研究人員提供的一組對(duì)比圖顯示，同樣是冰表面成像，一張棱角分明，可以清晰展示微觀視界中的氫鍵；而另一張的邊界相對(duì)模糊，難以分辨細(xì)節(jié)。

團(tuán)隊(duì)用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行了前期探索性工作（上排兩張）， 后期用自主研制設(shè)備得到了更高質(zhì)量數(shù)據(jù)（下排兩張）

“利用我們的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，可以獲得更加清晰的成像。”江穎介紹，以這里的五邊形、八邊形為例，對(duì)應(yīng)看進(jìn)口設(shè)備成像的圖，較難區(qū)分其邊數(shù)。

據(jù)介紹，江穎團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高分辨掃描探針顯微鏡的自主研發(fā)和應(yīng)用，創(chuàng)新性地發(fā)展出了基于高階靜電力的qPlus掃描探針技術(shù)，此前已在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)氫核的成像。為了突破絕緣體成像難，團(tuán)隊(duì)此次開發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對(duì)各種絕緣體表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子級(jí)分辨成像，并得到比進(jìn)口設(shè)備更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

基于上述設(shè)備提供的原子級(jí)分辨率條件，團(tuán)隊(duì)對(duì)不同溫度、氣壓的冰表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了一種由六角和立方兩種堆垛方式交替排列形成的結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)在零下153℃左右，這兩種堆垛才會(huì)形成規(guī)則的三角晶格，處于真正的晶體狀態(tài)。隨著溫度的升高，三角形晶格會(huì)越來(lái)越不規(guī)則，最后變成無(wú)序狀態(tài)。也就是說(shuō)早在0℃以下，甚至零下100℃時(shí)冰已經(jīng)開始融化。

江穎表示，冰在大氣中普遍存在，且對(duì)自然現(xiàn)象的發(fā)生起到關(guān)鍵作用，此次研究從微觀層面回答了冰具有潤(rùn)滑特性、催化活性等科學(xué)問(wèn)題。例如冰對(duì)臭氧分解具有催化作用，可能是由于冰表面預(yù)融化時(shí)出現(xiàn)的缺陷態(tài)中存在可以發(fā)生催化反應(yīng)的分子鍵。

《自然》雜志審稿人評(píng)價(jià)，采用qPlus型掃描探針顯微鏡對(duì)冰表面進(jìn)行原子級(jí)成像是一項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新，所獲得的分辨率在冰表面成像中是前所未有的。該發(fā)現(xiàn)將對(duì)大氣科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（圖片由研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供）

（原標(biāo)題：我科學(xué)家利用自研國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器獲重大突破 ）