新浪科技综合@这种物质虽然司空见惯，但我敢说真的没人了解它新浪科技综合2020-07-28 15:20:000阅( 三 )
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图18/38这是我们实验室的两台扫描隧道显微镜 ， 或者称为扫描探针显微镜 。
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图19/38为了看到水分子 ， 一般的扫描隧道显微镜还不行 ， 我们必须要把它降到零下260多度 ， 这已经非常接近绝对零度 。
除了低温以外 ， 我们还必须把STM放在一个真空度非常高的环境 ， 真空度的大小可以比拟宇宙中的真空度 。 这样能够把分子牢牢地抓在表面 ， 不让它到处运动 。
此外 ， 由于真空度非常高 ， 周围大气环境中的分子不会对水分子产生干扰 。
在这么纯净的环境下 ， 我们终于可以第一次看到单个水分子的实空间图像 ， 可以看到很多V型结构 。
如果把水的结构叠上去 ， 看到的微型结构跟水的骨架完全一致 ， 不只是键角一致 ， 包括键长也完全匹配 。
这是人类第一次能够清晰地看到水分子的结构图像 。
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图20/38但是 ， 有些时候看到是一种比较奇怪的水分子图像 。
比如说 ， 右边是黑洞的图像；左边这个实际上是水分子 。
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图21/38把水分子放上去 ， 我们会发现它并不是水分子的骨架 ， 而是水分子周围的电子产生的电子云 。 亮的地方电子比较多 ， 暗的地方电子比较少 ， 所以就形成一个可以说是跟黑洞一模一样的图像 。
这两种物质的尺寸大概有20个量级以上的差别 。 我们不得不感慨自然界竟然这么精巧 ， 两种尺度相差这么大的物质 ， 在图像上竟然是这么的一致 。
“冰”的边界
我们既然能看到单个水分子 ， 那么我们能干什么呢？
我们就能去慢慢地玩它、可以养它、也可以拍它 。
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图22/38第一件事情 ， 我们想看一看冰到底长什么样 ， 冰到底是怎么长出来的 。 这是一个非常基础的概念 ， 但是实际上没有人知道究竟是怎么回事 。
如果你去南极或者北极 ， 在海面上有非常多的厚厚的冰层 。 这种冰层实际上是成千上万的水堆在一块儿形成的物质 。
那能不能把这么厚的冰层一层一层地减薄 ， 最后减到单层冰 。 单层冰的结构是什么样的？它是怎么长出来的？这会影响我们理解厚冰层的生成 。
终于有一天 ， 我们做成了这件事情 。 这个工作在今年（2020年）年初刚刚发表在《自然》杂志上 。
我们看到了单层冰的高分辨原子结构图像 ， 可以看到它是一个蜂窝状的结构 ， 跟我们熟知的石墨烯蜂窝状结构一模一样 ， 所以我们称它为类石墨烯结构 。
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图23/38除此之外 ， 它的边界实际上比蜂窝状结构更为复杂 ， 因为它不光有六圆环组成的锯齿状边界 ， 此外还有五圆环、七圆环等拼起来的复杂边界 ， 我们称它为“扶手椅”边界 。
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图24/38看到这个边界以后 ， 我们能对它的边界生长状态进行拍照 。
举个例子来看 ， 对于锯齿状的边界 ， 我们发现它首先在一个位置长出一个五圆环 ， 然后五圆环再进一步延拓 ， 长成一串的队列式五圆环 ， 但是这些五圆环中间有一些空隙 。
怎么办呢？水分子非常聪明 ， 它能够直接嵌到这些空隙里面 ， 把这些五圆环桥接在一块儿 ， 像搭桥一样 ， 最后把它变成最初始的六圆环状态 ， 这就完成了一次生长 。
这就是我们在显微镜下面看到的冰的真实生长状态 。
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图25/38我们一旦知道了冰是怎么长出来的 ， 就可以告诉材料科学家怎么去制备一些特殊的材料 ， 来抑制冰的形成 ， 或者促进冰的形成 。
这是其中一个例子 。 我们做了一个看起来上面、下面一样的材料 ， 但实际上我们已经对这个材料的上下两部分做了特殊的涂层处理 ， 上面是抑制结冰的涂层 ， 下面是促进结冰的涂层 。
把这个材料放在水蒸气下面 ， 然后降到低温状态 ， 水就开始在表面凝结、结冰 。
上面的涂层上长出的是非常粗糙的颗粒状的冰 ， 下面的涂层上长出的是非常平整的冰层 。 这时候拿风一吹 ， 上面这种冰粒很容易就被吹掉了 ， 但是下面的冰层会牢牢地吸在表面上 ， 怎么吹都不掉 。
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图26/38我们终于发现可以人为地去控制材料抑制结冰或者促进结冰的行为 ， 这实际上具有很重要的现实意义 。
比如研究冰层、大气中冰雨的形成 。
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