王恩哥

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台江颖教授、徐莉梅教授、田野特聘研究员、王恩哥院士等紧密合作，利用自主研发并商业化的国产qPlus型扫描探针显微镜，首次获得了自然界最常见的六角冰表面的原子级分辨图像。研究团队发现冰表面在零下153摄氏度就会开始融化，并结合理论计算揭示了该过程的微观机制，结束了有关冰表面预融化问题长达170多年的争论。该工作以“冰表面结构和预融化过程的原子分辨成像”（Imaging surface structure and premelting of ice Ih with atomic resolution）为题，于5月22日发表在《自然》（Nature）杂志上。《自然》杂志编辑部还以“从原子尺度揭示冰表面融化的奥秘”（Atomic-scale insights into the mystery of how ice surfaces melt）为题配发研究简报（Research Briefing），对文章进行专题报道。熟悉又神秘的冰表面水是生命之源，而冰作为水重要的固体形态，广泛存在于自然界中。全球冰川面积约占陆地面积的十分之一，且近半数的地表上空被含有大量冰晶的云层所覆盖。作为自然界中最普遍的表面之一，冰面承载着多种重要的大气反应，并影响着众多自然现象，如：冰的形成、臭氧的分解、雷云的带电等。此外，在星际空间中，被冰覆盖的尘埃颗粒是复杂有机分子生成的关键载体，因此，冰表面的研究对探索生命起源和物质来源具有重要意义。然而，由于缺乏原子尺度的实验表征手段，我们对冰表面的了解仍处于非常初步的阶段，甚至连一个基本问题——冰的表面结构是什么，也尚未弄清楚。此外，冰表面常在低于其熔点（0 ℃）的温度下开始融化，这一现象称为冰的预融化。预融化现象对于理解冰面的润滑现象、云的形成与寿命、以及冰川的消融过程等至关重要。自从19世纪中期法拉第首次提出预融化层的概念以来，围绕其结构和机制的争论已经持续了170多年。这种持续的争论原因在于相关研究主要依赖于谱学手段，而这些手段受到衍射极限的限制，无法得到准确的原子尺度信息。因此，在实空间中对体相冰表面和预融化过程进行原子级分辨成像，是理解预融化层的关键，也是科学家们一直以来追求的目标。揭开冰表面的神秘面纱江颖课题组长期致力于高分辨扫描探针显微镜的自主研发和应用，创新性发展出了一套基于高阶静电力的qPlus扫描探针技术，并在国际上率先实现氢核的成像。2022年，课题组完成了qPlus型扫描探针显微镜的国产化样机 [Cheng et al., Rev. Sci. Instrum. 93, 043701 (2022)]，随后将相关核心专利转让给中科艾科米（北京）科技有限公司，通过校企联合攻关，实现了该系统的整机国产化（图1）。在本工作中，研究团队进一步突破了绝缘体表面无法进行原位针尖修饰的限制，开发了一种通用的一氧化碳分子修饰针尖技术，可对各种绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像。值得一提的是，国产扫描探针显微镜得到了比进口设备更高质量的数据，为冰表面的结构解析提供了关键支撑。基于该国产化设备，研究人员首次得到了自然界最常见的六角冰（ice Ih）表面的原子级分辨图像，实现了对表面氢键网络的精确识别和氢核分布的精准定位。图1. 自行研制的qPlus型光耦合扫描探针显微镜国产化样机（左）和正式上市设备（右）该研究发现六角冰的基面（basal plane）存在六角密堆积（Ih）和立方密堆积（Ic） 两种堆叠方式（图2），不同于过去普遍认为的只存在Ih一种堆叠方式的理想冰表面。Ih和Ic 晶畴通过水分子五、八元环缺陷连接，在纳米尺度上实现无缝的层内堆叠。通过精确控制冰的生长温度与气压，研究人员在冰表面发现了一种长程有序的周期性超结构，其中大小规则的Ic和Ih纳米晶畴交替排列（图2）。通过分析超结构表面的氢核分布，并结合第一性原理计算，研究人员发现这种独特的氢键网络结构能显著减少冰表面悬挂氢核之间的静电排斥能，从而使其比理想冰表面更加稳定。这一突破性发现刷新了人们对冰表面的传统认知，结束了关于冰表面结构及氢序的长期争论。图2. 冰表面的Ih和Ic 晶畴的原子力显微镜实验图（a），对应的结构模型示意图（b），以及周期性超结构的原子力显微镜实验图（c）捕捉预融化的微观过程为了进一步探究冰表面的预融化过程，研究人员进行了系统的变温生长实验，发现冰表面在零下153 ℃（120 K）时就开始融化（图3）。在融化初期，原本长程有序的超结构中局部开始出现大小不一的晶畴。随着生长温度的进一步升高，冰表面的超结构序完全消失。与此同时，在畴界附近，出现了大面积的表面无序，这些区域中经常可以观察到一种局域的平面化团簇结构。理论计算表明，该结构是一种亚稳态，其形成过程涉及到表面水分子层内氢键网络的调整和层间氢键的断裂，从而引起大面积的表面无序。在冰表面的初期预融化过程中，这种结构起到了关键作用。图3. 随着温度升高冰表面预融化过程的原子级分辨成像意义和展望该工作颠覆了长期以来人们对冰表面结构和预融化机制的传统认识。冰表面重构所引入的高密度分布的畴界，促进了预融化的发生，使得冰表面在极低的温度（120 K）下就开始变得无序，这个温度远低于之前研究普遍认为的预融化起始温度（大于200 K）。考虑到预融化开始的温度与大气层中的地球最低温度相当，这表明在自然环境中，大多数冰表面已经处于预融化的无序状态或者准液态。因此，理解地球上与冰相关的各种物理和化学性质，需考虑预融化过程中形成的表面缺陷和亚稳态的作用。这些发现开启了冰科学研究的新篇章，将对材料学、摩擦学、生物学、大气科学、星际化学等众多学科领域产生深刻的影响。该工作在审稿过程中获得三位审稿人高度评价，认为它是“多年来阅读过的最令人印象深刻且完整的论文之一”。他们肯定了“采用qPlus型低温原子力显微镜技术对冰表面进行原子级成像是一项重大技术创新”“所获得的分辨率在冰表面成像中是前所未有的”，同时指出该工作的广泛意义，“这些发现可能对大气科学、材料科学等多个领域产生深远的影响”。北京大学物理学院量子材料科学中心2018级博士研究生洪嘉妮（现为北京大学物理学院博士后，入选中国博士后创新人才支持计划）、2016级博士研究生田野（现为北京大学物理学院特聘研究员）、2020级博士研究生梁天成和2020级博士研究生刘心萌为文章的共同第一作者，江颖、徐莉梅、田野和王恩哥为文章的共同通讯作者。其中洪嘉妮、田野、刘心萌、江颖主要贡献为扫描探针实验，梁天成、潘鼎、徐莉梅、王恩哥主要贡献为第一性原理计算和模拟。上述工作得到了国家自然科学基金委、科学技术部、教育部、北京市科学技术委员会、北京市发展和改革委员会和新基石科学基金会的经费支持。

为保证实验室持续稳定发展，规范和加强对重点实验室领导班子聘任管理，经有关高校公开招聘和推荐，教育部科技司聘任了“河口海岸学”等国家重点实验室以及“神经科学”等教育部重点实验室主任和学术委员会主任，名单如下： 国家重点实验室主任和学术委员会主任聘任名单 序号 实验室名称 依托单位 实验室主任 学术委员会主任 1 河口海岸学 华东师范大学 周云轩 王光谦 2 精密光谱科学与技术 华东师范大学 曾和平 徐志展 3 机械系统与振动 上海交通大学 高 峰 钟 掘 4 表面物理 复旦大学 封东来 王鼎盛 5 近海海洋环境科学 厦门大学 戴民汉 胡敦欣 6 作物遗传改良 华中农业大学 张启发 傅廷栋 7 污染控制与资源化研究 同济大学、南京大学 张伟贤 郝吉明 8 软件工程 武汉大学 刘梦赤 李德毅 教育部重点实验室主任和学术委员会主任聘任名单 序号 实验室名称 依托单位 实验室主任 学术委员会主任 1 神经科学 北京大学 万 有 杨雄里 2 分子心血管学 北京大学 王 宪 杨宝峰 3 中医内科学 北京中医药大学 李澎涛 王永炎 4 现代人类学 复旦大学 金 立 沈 岩 5 医学分子病毒学 复旦大学 袁正宏 杨胜利 6 分子医学 复旦大学 汤其群 林其谁 7 公共卫生安全 复旦大学 姜庆五 李立明 8 生物多样性与生态工程 复旦大学、北京师范大学 李 博 张大勇 9 器官移植 华中科技大学 陈孝平 陈 实 10 环境与健康 华中科技大学 邬堂春 魏复盛 11 生物医学光子学 华中科技大学 骆清铭 程 京 12 园艺植物生物学 华中农业大学 邓秀新 方智远 13 分子微生物学与技术 南开大学 王 磊 邓子新 14 蛋白质科学 清华大学 王志新 孟安明 15 应用力学 清华大学 施惠基 王自强16 实验畸形学 山东大学 邵常顺 张 学 17 心血管重构与功能研究 山东大学 张 运 刘德培 18 高效洁净机械制造 山东大学 黄传真 卢秉恒 19 药用资源与天然药物化学 陕西师范大学 王喆之 洪德元 20 应用表面与胶体化学 陕西师范大学 刘昭铁 江 明 21 细胞分化与凋亡 上海交通大学 陈国强 王恩多 22 靶向药物与释药系统 四川大学 张志荣 刘昌孝 23 生物资源与生态环境 四川大学 杨 毅 张亚平 24 岩土及地下工程 同济大学 黄茂松 顾金才 25 口腔生物医学 武汉大学 边 专 巴德年 26 环境与疾病相关基因 西安交通大学 闫剑群 李立明 27 生物医学信息工程 西安交通大学 刘健康 饶子和 28 认知与人格 西南大学 李 红 陈 霖 29 生物医学工程 浙江大学 王 平 俞梦孙 30 动物分子营养学 浙江大学 刘建新 朱作言 31 濒危动植物保护生物学 浙江大学 方盛国 陈宜瑜 32 海水养殖 中国海洋大学 麦康森 唐启升 33 海洋药物 中国海洋大学 管华诗 陈凯先 34 植物-土壤相互作用 中国农业大学 张福锁 石元春 35 现代精细农业系统集成研究 中国农业大学 李民赞 汪懋华 36 功能乳品 中国农业大学 罗云波 吴常信 37 基因工程 中山大学 庄诗美 王恩多 38 热带病防治 中山大学 黎孟枫 侯云德 39 合成与天然功能分子化学 西北大学 王尧宇 裘式纶

国家自然科学基金委员会近期公布数理科学部“理论物理专款”项目、数理科学部重大项目、地球科学部重大项目三个项目的评审会议专家名单，共90人，现整理如下：关于公布2022年度数理科学部“理论物理专款”项目评审会议专家名单的公告根据国家自然科学基金委员会相关规定，现公布2022年度数理科学部“理论物理专款”项目评审会议专家名单：2022年度数理科学部“理论物理专款”项目评审会议专家名单蔡荣根常凯刘玉斌马余刚苏刚王炜王恩科王建国王雪华向涛许甫荣尤力赵强公布时间：2022年11月14日至2022年11月20日。国家自然科学基金委员会数理科学部2022年11月14日关于公布“2022年度数理科学部重大项目评审会议”专家的公告根据国家自然科学基金委员会相关规定，现公布2022年度数理科学部重大项目及专项项目评审会议专家名单：“2022年度数理科学部重大项目评审会议”专家王文彦王兆军王建立王建民王彦飞王娜王彪方陶陶石磊叶向东申胜平包景东冯波司宗国朱少平朱永田朱利平朱宗宏刘子强刘宇陆刘晓为刘铁钢孙保华李玉同李定吴臻何子山辛圣洪汪越胜张莹张海燕张靖陆卫陆培祥陈树琪陈险峰范更华林华珍林建忠林承键金石周济林郑阳恒孟光赵宁赵建林赵振堂赵跃宇袁小聪徐力徐志平徐明郭田德黄永箴黄忠亿常超彭济根程亚傅立斌蔡荣根廖益熊启华公布时间：2022年11月14日至2022年11月20日。国家自然科学基金委员会数理科学部2022年11月14日关于公布地球科学部2022年度重大项目评审组名单的公告根据国家自然科学基金委员会相关规定，现将地球科学部重大项目评审组名单公布如下：地球科学部2022年度重大项目评审组名单冯起张为俊曾刚曾永平张偲黄建平李晓明彭建兵孙和平赵国春周忠和孙有斌吴忠良冯学尚孙红文公布时间:2022年11月14日至2022年11月21日。国家自然科学基金委员会地球科学部2022年11月14日