冰Ih（六角形冰），是地球上最常見的冰的形式，它的特點是水分子在六角晶格中排列。這種結構對許多冰的物理性質至關重要，比如它相對于液態水的低密度，這使得冰能夠漂浮。

冰Ih的表面一直是研究的熱點，因為它在各種自然過程中起著關鍵作用，包括云的形成、大氣化學和冰的滑動性。盡管其重要性，由于脆弱的氫鍵網絡和復雜的預融化過程，冰界面的確切原子結構一直難以捉摸。

最近發表在《自然》雜志的一項突破性研究，實現了對冰Ih表面結構的原子分辨率成像，揭示了預融化現象——即使在低于冰點的溫度下，冰表面也會形成一層液態水。

在這項研究中，研究人員采用了一種名為qPlus的基準低溫原子力顯微鏡 (AFM) 的先進技術。這種強大的工具使科學家能夠以令人難以置信的精度探測表面，分辨單個原子。為了增強圖像分辨率，研究人員使用了一種特殊的AFM探針，該探針用一氧化碳分子進行功能化，以創建了一個用于與冰表面相互作用的明確探針。

這種創新方法揭示了一幅迷人的畫面。正如預期的那樣，冰的大部分結構有序，氧原子排列成六角形圖案。然而，表面本身卻呈現出不同的景象。最頂層的氫原子，對于形成將冰結合在一起的氫鍵至關重要，呈現出一種短程秩序，形成一個(2 × 2)的模式，與冰的厚度或下面的基底無關。這表明與體積冰相比，表面氫原子的排列略有重新排列。

更有趣的是，研究確定了導致預融化的關鍵因素——缺陷邊界的存在。冰 Ih可以與另一種形式的冰——冰Ic共存，后者具有略微不同的晶體結構。這兩種類型的冰之間的界面充滿了缺陷，成為了一個薄弱環節。這個富含缺陷的區域更容易受到熱波動的影響，導致水分子運動局部的增加和預融化的液態層形成。

預融化層在冰的滑膩性中起著重要作用，表面存在液體潤滑劑解釋了物體可以輕松地在冰上滑動的原因。此外，研究表明，由雜質存在引起的平面局部結構的形成可能會進一步促進預融化。

這項研究對我們理解各種現象具有重大意義。它為理解原子水平的冰行為提供了寶貴的見解，這對于改進氣候模型和預測冰蓋穩定性至關重要。此外，這些發現可以促進具有定制表面性能的新材料的開發，例如可最大限度地減少摩擦的超級潤滑劑。

但是，為了完全闡明冰面預融化的復雜性，還需要進一步研究。外部因素如壓力和污染物的存在需要進一步探索。此外，更深入地了解預熔化層的動力學及其與底層冰結構的相互作用至關重要。(www.Ws46.com)

總而言之，近期關于冰Ih表面結構和預融化原子分辨率成像的研究，代表了我們對這種普遍存在的材料理解的重大飛躍。通過揭示冰表面原子的復雜排列，科學家們為進一步探索打開了大門，為氣候科學到材料設計等各個領域的進步鋪平了道路。