物理学充满了奥秘。想要找到一些值得探索的地方，只要看看冰块就知道了。当然，在室温下，立方体会在你眼前融化。但即使在冰点以下，冰也会以难以察觉的方式移动，科学家们仍在试图理解这一点。利用美国能源部阿贡国家实验室的成像工具，研究人员发现了一种被称为预熔的现象，其温度远低于之前观察到的温度。

　　他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

　　预融化就是一块冰即使在寒冷晴朗的日子里也会很滑的原因。虽然这个地方是冰冻的，但表面的某些部分是湿的，这是迈克尔·法拉第在19世纪中期首先提出的想法。冰上有一层预融化的、类似液体的层，这一想法开启了另一个长期存在的问题:水是如何从液体变成固体再变成蒸汽的，以及在特定条件下，水是如何同时变成这三种状态的。

　　在最近的研究中，科学家们检查了零下200华氏度以下形成的冰晶。研究小组利用阿贡的纳米材料中心(CNM)——美国能源部科学办公室的一个用户设施——来生长和观察冰纳米晶体，它的直径只有百万分之一米。

　　这项研究不仅揭示了在冰点以下的温度下水的性质，还展示了一种检测敏感样品分子细节的方法:低剂量、高分辨率透射电子显微镜(TEM)。瞬变电磁法将电子流(亚原子粒子)指向一个物体。探测器通过捕捉电子如何从物体散射而产生图像。

　　“有些材料对光束敏感。当你用电子束对它们成像时，它们可以被改变或破坏，”该论文的主要作者、阿贡国家实验室材料科学家文建国说。电子束敏感材料的一个例子是电解质，它在电池中交换带电粒子。”能够在不破坏其结构的情况下详细研究它们，有助于开发更好的电池。

　　但首先，研究人员正在对冷冻水进行低剂量透射电镜技术的试验。毕竟，水既便宜又丰富。不仅如此，温说:“冰的成像非常具有挑战性，因为它在高能电子束下非常不稳定。如果我们成功地在冰上展示了这种技术，那么对其他光束敏感材料进行成像将是小菜一碟。”

　　低剂量技术结合了CNM的像差校正TEM和专门的直接电子探测相机。该系统在从撞击样品的每个电子中捕获信息方面非常有效，因此可以使用更少的电子获得高分辨率图像，从而比传统的TEM方法对目标造成更小的损害。

　　低水平的电子暴露使得在原位或其环境中捕获像冰晶这样脆弱的东西成为可能。研究小组使用液氮在130开尔文(零下226华氏度)的温度下在碳纳米管上生长冰晶。

　　先前的研究已经观察到在水的三相点附近预熔。在三相点，温度仅略高于冰点，压力低到足以让冰、液体和水蒸气同时存在。在温度和压力低于三相点时，冰直接升华成水蒸气。

　　水的行为“规律”通常被简洁地概括为一个简单的相图，它描绘了水在不同温度和压力组合下的不同状态。

　　“但现实世界比这个简单的相图要复杂得多，”该论文的另一位通讯作者、阿贡国家实验室材料科学家周涛说。“我们发现预熔可以发生在曲线的下方，尽管我们无法解释原因。”

　　在实验过程中拍摄的一段视频中，当冰在恒压下加热到150开尔文(零下190华氏度)时，可以看到两个独立的纳米晶体相互溶解。虽然仍然低于冰点，但冰形成了一层类似液体的层。在相图的简单线条中，水直接从冰变成蒸汽，这种超低温水没有被考虑在内。

　　这项研究提出了一些有趣的问题，可以在未来的工作中探索。研究人员看到的液体状层的确切性质是什么?如果压强和温度一起升高，会发生什么?这种技术是否为“无人区”铺平了道路，在那里，过冷水突然从液体结晶成冰?对水的许多状态进行了几个世纪的科学探索仍在继续。

　　与温和周合著的有:余磊、Thomas Gage、Suvo Banik、Arnab Neogi、Henry Chan、xiaomin Lin、Martin Holt和Argonne的Ilke Arslan;武汉大学林玉林、雷爱文;以及芝加哥伊利诺伊大学的内森·罗森曼。