|作 者：洪嘉妮1,2 趙正樸1,2 田野1,2 江穎1,2,?

(1 北京大學(xué)物理學(xué)院 量子材料科學(xué)中心）

(2 北京大學(xué) 輕元素量子材料交叉平臺(tái))

本文選自《物理》2025年第4期

摘 要：為什么冰面如此光滑，這一問(wèn)題困擾科學(xué)家已逾百年。文章利用高分辨率qPlus型掃描探針顯微鏡，在原子尺度上解析了自然界最常見(jiàn)的六角冰表面結(jié)構(gòu)，首次揭示其表面由六角密堆積與立方密堆積納米晶疇交替有序排列，形成一種長(zhǎng)程有序的周期性超結(jié)構(gòu)。這些由缺陷組成的晶疇邊界顯著促進(jìn)了冰表面的局 部預(yù)融化，使其在低至-153°C的溫度下即開(kāi)始融化，表現(xiàn)出潤(rùn)滑行為。進(jìn)一步地將體相六角冰“壓縮”至二維極限，在石墨烯和氮化硼表面構(gòu)建出二維六角冰，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二維冰與石墨烯襯底呈不公度關(guān)系，并表現(xiàn)出摩擦系數(shù)低于0.01的超潤(rùn)滑特性，而在公度匹配的氮化硼襯底上則呈現(xiàn)傳統(tǒng)摩擦行為，這是低維受限水輸運(yùn)中結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

關(guān)鍵詞：qPlus型掃描探針顯微鏡，六角冰表面，預(yù)融化，二維冰，超潤(rùn)滑

01

引 言

水是自然界中最常見(jiàn)、元素構(gòu)成簡(jiǎn)單且人們最為熟悉的物質(zhì)之一，但由于其多體氫鍵相互作用和質(zhì)子顯著的核量子效應(yīng)，它同時(shí)也是自然界中最復(fù)雜的凝聚態(tài)物質(zhì)之一。Science 在創(chuàng)刊125周年之際，將“水的結(jié)構(gòu)是什么”列為21世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。2023年，Nature 出版集團(tuán)推出了一本專注于水科學(xué)跨學(xué)科研究的子刊——Nature Water，這是該集團(tuán)旗下唯一以特定物質(zhì)命名的子刊，充分體現(xiàn)了水的重要性。冰，作為水的重要固體形態(tài)，由水分子規(guī)則排列形成，其結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程在材料科學(xué)、摩擦學(xué)、大氣科學(xué)等眾多領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用。本文從自然界中最常見(jiàn)的體相六角冰出發(fā)，系統(tǒng)介紹六角冰的表面原子結(jié)構(gòu)及其預(yù)融化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示其表面潤(rùn)滑的微觀機(jī)制，并進(jìn)一步探討二維六角冰的超滑特性，為原子尺度冰科學(xué)研究及摩擦學(xué)研究提供了新的視角。

02

冰表面預(yù)融化中的“滑”

六角冰(Ice Ih)是地球上最常見(jiàn)的冰相，廣泛分布于自然環(huán)境中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冰川和極地冰覆蓋了地球約十分之一的陸地[1]；在大氣層中，超過(guò)半數(shù)的地球表面被含有大量冰晶的云層所遮蓋。云冰晶是太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之前的“收費(fèi)站”，其表面反射了多達(dá)90%的太陽(yáng)輻射，對(duì)維持地球的氣候和能量平衡至關(guān)重要[2]。冰表面，作為冰與外界環(huán)境交互的第一線，在方方面面都扮演著重要角色。冰表面參與多種自然現(xiàn)象和大氣中的多種反應(yīng)，對(duì)冰的形成、大氣平流層中臭氧分解以及雷云中電荷的積累等過(guò)程均具有顯著影響[3—6]。在星際空間中，冰覆蓋的塵埃顆粒是復(fù)雜有機(jī)分子生成的關(guān)鍵載體，對(duì)冰表面的深入研究對(duì)于揭示生命起源和物質(zhì)來(lái)源的奧秘具有重要的科學(xué)意義[7，8]。在季節(jié)變換中，冰表面會(huì)發(fā)生融化，這不僅影響著局部地區(qū)的水循環(huán)，還與全球海平面、洋流模式乃至極端氣候事件息息相關(guān)。

19世紀(jì)中期，法拉第通過(guò)“復(fù)冰”實(shí)驗(yàn)首次提出了預(yù)融化的概念：冰表面常在低于其體相熔點(diǎn)(0℃)的溫度下發(fā)生融化[9]。這個(gè)概念認(rèn)為冰之所以表面光滑，是因?yàn)楸砻娲嬖谝粚訙?zhǔn)液態(tài)的預(yù)融化層，這層水膜有效降低了摩擦力，從而起到了潤(rùn)滑作用。自法拉第首次提出預(yù)融化層的概念以來(lái)，圍繞其結(jié)構(gòu)和機(jī)制的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了170多年，涉及預(yù)融化層的起始溫度與厚度、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)制等多個(gè)方面[10]。

要理解冰表面的預(yù)融化過(guò)程，首先要知道冰表面在融化前的結(jié)構(gòu)是什么。多年來(lái)，大家普遍認(rèn)為，冰表面在融化前具有和體相結(jié)構(gòu)相同的完美晶體結(jié)構(gòu)[11，12]，直到當(dāng)溫度高于-70℃左右時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)無(wú)序和融化[13—15]。盡管最近的實(shí)驗(yàn)觀察到，在低溫下，冰表面的結(jié)構(gòu)信號(hào)與體內(nèi)存在細(xì)微的差異[16，17]，暗示著冰表面的不完美。但是，因?yàn)檫@些研究主要依賴于光譜和電子衍射等譜學(xué)技術(shù)，受到衍射極限的限制，這些譜學(xué)技術(shù)只能提供空間上的平均信息，并不能精確捕捉到原子級(jí)別的細(xì)節(jié)。因此，在實(shí)空間中對(duì)冰表面進(jìn)行原子級(jí)分辨成像，并進(jìn)一步探究其預(yù)融化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，仍然是一個(gè)巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)。

在微觀世界中，掃描探針顯微鏡是我們研究表面結(jié)構(gòu)的最可靠的技術(shù)之一。掃描探針顯微鏡的探針就像一只單原子大小的手，用這只“手”去觸碰表面，就可以得到表面原子級(jí)的形貌特征，從而探測(cè)表面結(jié)構(gòu)。qPlus型掃描探針顯微鏡通過(guò)集成高靈敏度的qPlus型傳感器，能夠同步捕捉飛安級(jí)電流和皮牛級(jí)力信號(hào)，具有超高的空間分辨能力[18]。通過(guò)創(chuàng)新研發(fā)基于高階靜電力的qPlus技術(shù)，我們率先在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了氫核成像[19]。通過(guò)利用一氧化碳分子修飾針尖以調(diào)控其電荷分布，借助電四極矩探針與水分子間微弱的高階靜電力，能夠精準(zhǔn)解析水分子的氫鍵結(jié)構(gòu)并定位氫核位置。該技術(shù)對(duì)探測(cè)對(duì)象的擾動(dòng)極小，特別適用于由水分子組成的脆弱氫鍵網(wǎng)絡(luò)。一氧化碳分子修飾的針尖通常是在導(dǎo)電的金屬襯底上制備，為了對(duì)完全絕緣的冰表面進(jìn)行高分辨成像，我們開(kāi)發(fā)了通用的非原位一氧化碳分子針尖修飾技術(shù)，有效突破了絕緣體表面無(wú)法進(jìn)行原位針尖修飾的技術(shù)瓶頸。

圖1 六角冰表面的高分辨成像 (a，b)六角冰生長(zhǎng)過(guò)程及冰表面成像的示意圖；(c，d)在不同成像力區(qū)間時(shí)，六角冰表面不同堆積方式下的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)圖及其原子模型圖。六角密堆積(Ih)堆疊和立方密堆積(Ic)堆疊分別由黃色和橙色線條標(biāo)記，H-up和O-up的水分子分別由紅色和紫色箭頭標(biāo)記

通過(guò)在低溫下長(zhǎng)時(shí)間的氣相沉積，我們?cè)诮饘僖r底上生長(zhǎng)出了自然界中最常見(jiàn)的六角冰(ice Ih，圖1(a)，(b))，冰層厚度超過(guò)250 nm。利用一氧化碳針尖與水分子之間的高階靜電相互作用，能夠分辨冰表面水分子的取向，并精確定位單個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)，首次獲得了冰表面的原子級(jí)分辨圖像(圖1(c))[20]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使在未融化前，冰的表面結(jié)構(gòu)也遠(yuǎn)比人們之前想象的復(fù)雜。與以往普遍認(rèn)為的理想冰表面僅由六角密堆積一種堆疊方式構(gòu)成的觀點(diǎn)不同，實(shí)際上冰的基面(basal plane)同時(shí)存在六角密堆積和立方密堆積(Ic)兩種不同的排列方式。這些不同的排列方式構(gòu)成了各自獨(dú)立的晶疇，它們通過(guò)由五元環(huán)和八元環(huán)組成的線缺陷相互連接，實(shí)現(xiàn)了納米尺度上的無(wú)縫層內(nèi)堆疊(圖1(c)，(d))。由此可見(jiàn)，冰表面并非之前想象的那樣完美，而是布滿了許多“不完美”的小缺陷。

通過(guò)精確控制生長(zhǎng)溫度和氣相沉積速率，我們成功制備出了高度有序的冰面，其中Ih和Ic結(jié)構(gòu)的納米晶疇以規(guī)則的大小周期性交替排列，形成超結(jié)構(gòu)(圖2)。通過(guò)深入分析超結(jié)構(gòu)的氫核分布，并結(jié)合第一性原理計(jì)算，我們揭示了超結(jié)構(gòu)表面的穩(wěn)定機(jī)制：其特殊的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能有效減少冰表面懸掛氫核之間的靜電排斥力，從而使得冰表面的能量大幅降低。因此，這種看似“不完美”的結(jié)構(gòu)比之前認(rèn)為的理想冰表面更為穩(wěn)定，堪稱“不完美的完美”。這一突破性發(fā)現(xiàn)刷新了人們對(duì)冰表面的傳統(tǒng)認(rèn)知，結(jié)束了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于冰表面結(jié)構(gòu)和氫序的爭(zhēng)論[21，22]。

圖2 重構(gòu)冰表面的周期性超結(jié)構(gòu) (a)超結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)圖，顯示了

×和2×相的共存；(b，c)在2×相中，風(fēng)車狀結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)圖與模擬圖。Ih堆疊和Ic堆疊分別由黃色和橙色線條標(biāo)記

為進(jìn)一步深入探究冰表面的預(yù)融化過(guò)程，我們進(jìn)行了系統(tǒng)的變溫生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超結(jié)構(gòu)在-153℃ (120 K)下開(kāi)始瓦解，局部出現(xiàn)大小不一的Ih和Ic晶疇，這標(biāo)志著表面預(yù)融化的開(kāi)啟(圖3(a)，(b))。隨著溫度進(jìn)一步升高，冰表面的超結(jié)構(gòu)序完全消失，大面積的無(wú)序區(qū)域出現(xiàn)在Ih和Ic晶疇的交界處，充分說(shuō)明冰表面本征的缺陷晶界能夠促進(jìn)預(yù)融化的發(fā)生(圖3(c))。在無(wú)序區(qū)域中，我們常能觀測(cè)到一種局域的平面化團(tuán)簇結(jié)構(gòu)(圖3(c))。經(jīng)理論計(jì)算證實(shí)，這種結(jié)構(gòu)是一種亞穩(wěn)態(tài)，它的形成涉及表面雙分子層內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò)的重排以及層間氫鍵的斷裂。當(dāng)冰表面開(kāi)始融化時(shí)，這些團(tuán)簇結(jié)構(gòu)就像一個(gè)種子，它的存在促使周圍“長(zhǎng)”出更多的無(wú)序區(qū)域，加速冰表面的無(wú)序化。

圖3 隨著溫度升高，冰表面預(yù)融化過(guò)程的原子級(jí)分辨成像 在120 K(a)、123 K(b)、125 K(c)條件下生長(zhǎng)的冰表面的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)圖，隨著溫度升高，冰表面逐漸變得無(wú)序。無(wú)序區(qū)域由白色虛線標(biāo)記，Ih堆疊和Ic堆疊分別用黃色和橙色線條標(biāo)記，平面化團(tuán)簇結(jié)構(gòu)則由紅色虛線橢圓標(biāo)記

冰表面重構(gòu)所引入的高密度分布的疇界，促進(jìn)了預(yù)融化的發(fā)生，使得冰表面在極低的溫度(120 K)下就開(kāi)始變得無(wú)序，遠(yuǎn)低于此前研究中普遍認(rèn)為的預(yù)融化起始溫度(大于200 K)。考慮到預(yù)融化起始溫度與大氣層中的地球最低溫度相當(dāng)，因此，在自然環(huán)境的溫度下，大多數(shù)冰表面已經(jīng)處于預(yù)融化的無(wú)序或近乎液態(tài)的狀態(tài)，可起到潤(rùn)滑的作用。盡管在冰面上滑行的摩擦力非常小，但并不意味著摩擦力完全消失。我們能否進(jìn)一步減少冰的摩擦力，甚至實(shí)現(xiàn)“無(wú)摩擦”的冰面呢？冰表面的摩擦力主要與表面的懸掛氫鍵有關(guān)，如果可以制備出一種沒(méi)有懸掛氫鍵的冰，就有望將摩擦力大幅減小。

03

低維受限冰的“超滑”

2020年，我們成功在金襯底(Au(111))上生長(zhǎng)出了一種“雙層互鎖”二維冰結(jié)構(gòu)(二維冰I相)[23]，這種二維冰由兩層六角冰無(wú)旋轉(zhuǎn)堆垛而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個(gè)水分子與面內(nèi)水分子形成三個(gè)氫鍵，與面外水分子形成一個(gè)氫鍵，因此所有的氫鍵都被飽和，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。我們發(fā)現(xiàn)，二維冰與金襯底的晶格之間存在公度關(guān)系，摩擦力仍然較大，需要尋找相互作用更弱的襯底，比如石墨烯和氮化硼。

圖4 石墨烯和氮化硼表面的二維冰結(jié)構(gòu) (a，b)石墨烯表面二維冰的恒流掃描隧道顯微鏡(STM)圖像和恒高原子力顯微鏡(AFM)圖像；(c，d)氮化硼表面二維冰的恒流STM圖像和恒高AFM圖像

基于這個(gè)思路，我們首先在Cu(111)表面的單層石墨烯和六方氮化硼上生長(zhǎng)出了二維冰島。通過(guò)對(duì)比兩種表面上冰島的特征，發(fā)現(xiàn)石墨烯上的二維冰有著更大的面積和更小的成核密度，且只能存在于襯底臺(tái)階的邊緣(圖4(a)，(b))；而氮化硼上的二維冰島有著更小的面積和更大的成核密度，可以穩(wěn)定存在于襯底的臺(tái)面上(圖4(c)，(d))。這種現(xiàn)象表明，二維冰生長(zhǎng)過(guò)程中水分子在石墨烯表面的擴(kuò)散勢(shì)壘顯著低于其在氮化硼表面的擴(kuò)散勢(shì)壘。

通過(guò)對(duì)二維冰進(jìn)行大范圍的高分辨成像，我們發(fā)現(xiàn)兩種二維冰都包含許多晶疇。石墨烯表面的二維冰晶疇有兩種互成30°角的氫鍵網(wǎng)絡(luò)取向，它們被一條由5-7-5元環(huán)組成的晶界分隔開(kāi)(圖5(a))。而氮化硼表面二維冰所有的晶疇取向相同，其晶界更寬(圖5(b))。通過(guò)同時(shí)對(duì)二維冰的氫鍵網(wǎng)絡(luò)和襯底晶格成像，并統(tǒng)計(jì)了水六元環(huán)的中心到襯底上最近鄰的碳六元環(huán)中心的距離，可以發(fā)現(xiàn)石墨烯的晶格和二維冰的晶格沒(méi)有明顯的匹配關(guān)系，呈現(xiàn)非公度性(圖5(a))；而氮化硼表面的二維冰與襯底晶格有著很好的匹配關(guān)系，即：一個(gè)水六元環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)B-N十四元環(huán)(圖5(b))。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，水六元環(huán)的中心到襯底最近鄰的B-N六元環(huán)中心的特征距離約為1.15?(圖5(c))，說(shuō)明體系具有非常好的公度性。快速傅里葉變換(FFT)的結(jié)果也很好地反映了兩種體系的公度性差異(圖5(d))。結(jié)合密度泛函理論計(jì)算的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，雖然石墨烯和氮化硼的晶格常數(shù)非常接近，但兩者的表面電荷性質(zhì)卻存在較大差異，使得水分子在氮化硼表面的勢(shì)能起伏比非極性的石墨烯大2—3倍。盡管這個(gè)差異很小(小于10 meV/water)，卻可對(duì)“柔性”的二維冰氫鍵網(wǎng)絡(luò)的公度性產(chǎn)生決定性影響。

圖5 二維冰公度性差異 (a)石墨烯表面二維冰的晶疇圖像，以及石墨烯晶格和二維冰晶格匹配關(guān)系，其中晶界由紫色標(biāo)出，灰點(diǎn)表示碳原子，黃線標(biāo)出水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，白線標(biāo)出襯底的碳六元環(huán)；(b)氮化硼表面二維冰的晶疇圖像，以及氮化硼晶格和二維冰晶格匹配關(guān)系，其中晶界由紫色標(biāo)出，白點(diǎn)和紅點(diǎn)分別表示硼原子和氮原子，黃線標(biāo)出水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，白線標(biāo)出襯底的硼氮十四元環(huán)；(c)水六元環(huán)與襯底碳六元環(huán)和硼氮六元環(huán)之間的特征距離統(tǒng)計(jì)；(d)石墨烯和氮化硼及其表面二維冰晶格的快速傅里葉變換圖像

為了測(cè)量二維冰與石墨烯和六方氮化硼之間的摩擦力，需要利用針尖對(duì)二維冰進(jìn)行操控。在之前的工作中，qPlus針尖已經(jīng)被證明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單原子分子或納米帶的可控性操縱[24，25]，但對(duì)二維冰島的可控性操縱卻極為困難，原因主要有兩點(diǎn)：(1)二維冰島(水分子數(shù)大于20000)的面積遠(yuǎn)大于先前工作中操縱的結(jié)構(gòu)，因此所需的相互作用力更大；(2)二維冰島的晶格較為柔性，針尖操縱會(huì)對(duì)二維冰島產(chǎn)生較大的破壞。為此，我們通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控針尖尖端的形狀，在保證針尖空間分辨率的前提下，進(jìn)一步提高了針尖可探測(cè)原子力的上限，并成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維冰可控的非破壞式操縱。

在恒高模式下，通過(guò)逐漸的降低針尖高度，針尖和二維冰島之間的吸引相互作用逐漸增加，二維冰被不斷抬升，直到針尖—冰島相互作用足以克服二維冰島滑動(dòng)的勢(shì)壘，便可實(shí)現(xiàn)冰島的可控性滑動(dòng)(圖6(a))。在這個(gè)過(guò)程中，我們采集了一組隨高度變化的頻移(?f )曲線(圖6(b))，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到冰島的本征摩擦力。

圖6 二維冰可控操縱及摩擦力測(cè)量 (a)針尖操縱二維冰滑動(dòng)示意圖，黑色箭頭表示不斷壓低針尖高度掃描，紅色箭頭表示最后一次掃描時(shí)冰島被拖動(dòng)，白色虛線為掃描方向；(b)隨針尖高度變化的頻移曲線；(c)石墨烯和氮化硼表面二維冰本征靜摩擦力與冰島面積關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中藍(lán)色虛線代表氮化硼數(shù)據(jù)的平均值，紅色虛線代表石墨烯數(shù)據(jù)的擬合線；(d)兩個(gè)體系靜摩擦系數(shù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，其中藍(lán)色虛線代表氮化硼數(shù)據(jù)的平均值，紅色虛線代表摩擦系數(shù)等于0.01的超潤(rùn)滑狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)線

基于這種方法得到了不同面積大小的二維冰的本征摩擦力，如圖6(c)所示，對(duì)于石墨烯表面的二維冰，其面積歸一化的靜摩擦力隨著冰島總面積的增大而減小，并最終在實(shí)驗(yàn)可測(cè)量的面積范圍內(nèi)衰減到1 pN/nm2，擬合的衰減系數(shù)約為-0.58，符合超潤(rùn)滑的摩擦特性[25]。而氮化硼表面二維冰的面積歸一化靜摩擦力與冰島的總面積無(wú)關(guān)，始終是一個(gè)較大的常數(shù)(約為18 pN/nm2)，屬于傳統(tǒng)的摩擦行為。

分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表現(xiàn)出定性和定量的一致性。理論結(jié)果還表明，對(duì)于石墨烯表面上尺寸較大的二維冰島，其靜摩擦系數(shù)甚至可以低于0.01(圖6(d))，符合超潤(rùn)滑的定量特征[26]。二維冰在石墨烯表面的超潤(rùn)滑行為源于水分子和石墨烯之間的弱范德瓦耳斯相互作用以及二維冰和石墨烯晶格之間的不公度性，而對(duì)于公度性較好的二維冰/氮化硼體系，則不存在超潤(rùn)滑現(xiàn)象。有趣的是，通過(guò)調(diào)節(jié)MD模擬中的晶格常數(shù)，降低二維冰/氮化硼體系的公度性，二維冰的歸一化靜摩擦力和摩擦系數(shù)都出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，證明了公度性對(duì)摩擦行為顯著的影響。

這一研究提供了低維受限水輸運(yùn)中結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)[27]。此外，該工作揭示了低維受限水的超潤(rùn)滑行為對(duì)表面電荷分布的敏感性，這與僅依賴于晶格匹配度的傳統(tǒng)“剛性”超潤(rùn)滑體系有很大的差別，有助于理解受限條件下超快水輸運(yùn)特性的根源：即使在室溫的環(huán)境下，極端受限體系中的水仍可能會(huì)形成一種類似于冰的有序結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生集體的超滑輸運(yùn)。該結(jié)果將有力推動(dòng)納米流體工程和納米摩擦學(xué)等領(lǐng)域的研究，在海水淡化[28]、納米過(guò)濾[29]、能量捕獲[30]等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

04

小結(jié)與展望

冰面之所以具有低摩擦性，是因?yàn)槠浔砻嬖?153°C時(shí)已發(fā)生預(yù)融化，形成的似液層顯著降低了摩擦力。通過(guò)將冰的維度從三維降至二維，并以原子級(jí)精度測(cè)量二維冰在表面上的摩擦力，我們成功調(diào)控了冰的摩擦行為，實(shí)現(xiàn)了從“滑”到“超滑”的轉(zhuǎn)變。這些研究不僅揭示了冰表面摩擦行為的可調(diào)控性，也為理解界面潤(rùn)滑提供了新的視角。未來(lái)，我們將深入研究低維和受限條件下冰的相變與物態(tài)調(diào)控，比如金屬冰、鐵電冰、可燃冰等。同時(shí)，我們將探索冰表面的吸附和化學(xué)反應(yīng)，這些研究將顯著推動(dòng)冰物理、納米摩擦學(xué)、星際化學(xué)、清潔能源、防除冰等領(lǐng)域的發(fā)展，并為相關(guān)應(yīng)用突破奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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《物理》50年精選文章