“實現(xiàn)原子級分辨率的核心器件是這個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，北京大學物理學院教授、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平臺負責人江穎告訴科技日報記者，基于它可以實現(xiàn)國際領先的高分辨率成像，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)化的國產(chǎn)qPlus型掃描探針顯微鏡，北京大學江穎教授、徐莉梅教授、王恩哥院士聯(lián)合研究團隊首次獲得了六角冰（自然界最常見的冰）表面的原子級分辨圖像。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模糊，難以分辨細節(jié)。
團隊用進口設備進行了前期探索性工作（上排兩張）， 后期用自主研制設備得到了更高質(zhì)量數(shù)據(jù)（下排兩張）
“利用我們的國產(chǎn)設備，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，對應看進口設備成像的圖，較難區(qū)分其邊數(shù)。
據(jù)介紹，江穎團隊長期致力于高分辨掃描探針顯微鏡的自主研發(fā)和應用，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)，此前已在國際上率先實現(xiàn)氫核的成像。為了突破絕緣體成像難，團隊此次開發(fā)了一種通用的一氧化碳分子修飾針尖技術(shù)，可對各種絕緣體表面實現(xiàn)穩(wěn)定的原子級分辨成像，并得到比進口設備更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。
基于上述設備提供的原子級分辨率條件，團隊對不同溫度、氣壓的冰表面進行觀察，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)。團隊還發(fā)現(xiàn)在零下153℃左右，這兩種堆垛才會形成規(guī)則的三角晶格，處于真正的晶體狀態(tài)。隨著溫度的升高，三角形晶格會越來越不規(guī)則，最后變成無序狀態(tài)。也就是說早在0℃以下，甚至零下100℃時冰已經(jīng)開始融化。
江穎表示，冰在大氣中普遍存在，且對自然現(xiàn)象的發(fā)生起到關鍵作用，此次研究從微觀層面回答了冰具有潤滑特性、催化活性等科學問題。例如冰對臭氧分解具有催化作用，可能是由于冰表面預融化時出現(xiàn)的缺陷態(tài)中存在可以發(fā)生催化反應的分子鍵。
《自然》雜志審稿人評價，采用qPlus型掃描探針顯微鏡對冰表面進行原子級成像是一項重大技術(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)將對大氣科學、材料科學等多個領域產(chǎn)生深遠影響。
（圖片由研發(fā)團隊提供）
（原標題：我科學家利用自研國產(chǎn)科學儀器獲重大突破 ）
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