冰是自然界中的常见物质，在一个大气压下，温度在0℃以下，液态的水就会结成冰。冰在地球上广泛存在，在地球上的淡水资源中，冰川的占比达到了76%左右。
冰更是在太阳系乃至整个宇宙中广泛存在，比如太阳系中的木卫三、土卫六、木卫二、木卫四等卫星上面都有大量的冰。而很多彗星上的冰含量极高，所以才会在靠近太阳时，因为水气蒸发而出现彗尾。
在地球上，由于温度等条件的变化，我们经常能看到冰和水在固体和液体之间的转化，液态水在0℃以下时很快就会结成冰，而固态的冰在0℃以上时会很快融化成液态水，这种形态的变化有其物理上的转化原因，但是科学家们一直不清楚冰的表面结构到底是什么样的，但就在最近，科学家们终于看清了。
5月23日，新华网等多家媒体报道称北京大学物理学院与北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台（简称轻元素平台）组成的研究团队，利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，成功在原子尺度上揭示了冰的表面结构，并发现冰在零下153摄氏度时即开始融化的新现象。均为重磅的研究成果。下面我们分节讲述一下：
一、冰的表面结构：六角与立方的交织
长久以来，科学家们对冰的表面结构充满了好奇，但一般都认为冰的表面应该是水分子组成的六角形的结构。
而此次研究团队通过先进的qPlus型扫描探针显微镜，从原子的尺度上发现冰的表面结构并非单一的排列方式，而是同时存在六角密堆积和立方密堆积两种排列方式。这两种排列方式巧妙地拼接堆砌，才形成了冰面稳定的网络结构。
这一新奇的发现，不仅刷新了人们对冰表面结构的传统认知，揭开了冰的结构的物理之谜，更为后续的研究提供了宝贵的线索。
二、冰在零下153度的融化之谜
但此次研究中，更令人惊奇的是研究团队在实验中观察到冰在零下153摄氏度时即开始融化。这可能跟大家的想象大相径庭，因为我们都知道在常温常态下，冰的融化是从0℃开始的，超过这个温度，冰会融化成水，低于这个温度，水会凝结成冰，何以冰会在零下153℃就开始融化呢？
在物理学中，这种一现象其实被称为冰的预融化。其实我们常见的水和冰在0℃上下的状态转换，过程中同时包含着融化和凝固，只是在0℃以下时，凝固占主导地位，是有融化现象，但是融化的水也会凝固，所以我们能看到水迅速凝结成了冰。
实际上科学家早就发现了这种现象，而且以往科学界普遍认为的冰在零下70摄氏度以上才开始融化，但研究团队在这次新研究中发现，水的融化现象，从负153℃就开始了。
那么，为什么冰会在如此低的温度下融化呢？经过深入分析，研究人员发现，冰的预融化与其表面结构的特殊性密切相关。在低温下，冰的表面水分子会形成一种特殊的氢键网络。这种网络结构使得水分子在受到微弱的热扰动时，就能够摆脱彼此之间的束缚，开始自由移动，从而引发融化现象，也就是说，水的低温状态融化也是和其表面结构有关系的。此外，冰表面预融化的过程还受到多种因素的影响，如温度、压力、湿度等。
三、冰的秘密对自然与科学的启示
北大物院和北京怀柔科学中心进行的这项研究被领域内专家认为是一种重要的科学创新，不仅揭示了冰的表面结构和预融化机制，更为我们理解自然界的许多现象提供了新的视角。例如，冰面的润滑现象、云的形成以及冰川的消融过程等，都与冰的表面结构和融化机制密切相关。
这项研究成果已经于5月22日晚发表于国际学术期刊《自然》杂志上，专业领域审稿人均认为是重大发现。因为通过深入研究这些现象，我们可以从物态的角度去解释很多固液转换的物理状态变化原理，能从宏观的角度去理解地球生态系统乃至宇宙中某些天体的运作机制。此外，这项研究还有可能对材料科学、大气科学等多个领域产生影响。
消息来源：新华网5月23日报道《我国科学家首次“看到”冰表面原子结构并揭示其融化奥秘》
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