孔板融化器

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。

这支冰棍在常温放置24小时后,变成了一摊胶状物。　　今年是济南30多年来入夏最早的一年,冷食跟着提前热销。但一支冰糕常温放置24小时后，竟成了一摊胶状物，让市民吃着有些担心。生产厂家称，这是一种新型果冻冰糕，不完全融化属于正常。专家指出，这可能是增稠剂添加过量所致。　　7日，记者调查发现，越便宜的冰糕添加剂越多，有的多达十几种。业内人士透露，一些企业为了节省成本,找香料、增稠剂来“帮忙”调出好滋味。　　市民质疑：冰糕化成胶状物,还能吃么?　　“冰棍化成了一摊黏糊糊的胶状物,这是怎么回事?”家住省城闵子骞路附近的市民王先生说,6日天气很热,他就把刚买的冰棍放进啤酒里想给啤酒降温。令人意外的是,冰棍在啤酒中半小时后还没完全融化。王先生取出来一看,冰棍变成了一团软软的胶状物。　　王先生看到包装纸上写着,这是一款水晶舌头果冻冰棍,上面添加剂有十余种:黄原胶、卡拉胶、魔芋胶、刺槐豆胶、柠檬酸、苹果酸、甜蜜素、安赛蜜、阿斯巴甜、糖精钠、食用荔枝香精等。“一支冰棍十几种添加剂,会不会超标?”王先生有些担心,原以为买这种白色冰棍,香精和色素会比较少,现在才发现添加剂并不比五颜六色的雪糕少。　　记者将一支没有拆包装的舌头果冻冰棍放在常温下24小时,冰棍仍未完全融化,而是缩成一块黏糊糊的胶状物。摸着比果冻稍软,不易捏碎,闻起来香气很浓。随后,记者以消费者的身份咨询该冰糕的生产厂家。对方称,这是一种新型果冻冰糕,不能完全融化属于正常。冰糕虽采用老包装但符合新国标,应该不会有质量问题。至于那一摊胶状物,对方建议暂时不要食用。　　市场调查：添加剂种类越多,冷食价格越低　　7日,记者走访了省城大润发超市,不少市民正在购买冷食。记者随手查看了几盒雪糕,发现外包装上都标识了食品添加剂种类。　　在一款水果口味的雪糕外包装上,标有柠檬酸、甜蜜素、卡拉胶等12种食品添加剂,而旁边一桶蒙牛巧克力口味的冰激凌,其乳化剂、色素、增稠剂等添加剂的数量有10种。记者发现,雪糕中食品添加剂数量的多少,和雪糕价格也有关系。售价三四元一盒的雪糕,食品添加剂数量大都在10种以上 二三十元一盒的雪糕,添加剂数量大都有五六种 而一盒售价27元的八喜雪糕,仅有5种添加剂。　　对此,济南群康集团董事长、济南市食品工业协会常务副会长、冷食分会会长于宏昌指出,在冷饮中,国家允许使用的添加剂不到30种。因为结晶体不同,冰糕、雪糕、冰激凌也有各自的标准。其中,冰糕也就是冰棍,它的成分一般只有水、糖和添加剂,水的含量应是95%,添加剂不能超过总重量的5%。雪糕和冰激凌则对总干物投放量有要求,雪糕总干物为15%到25%,这里的总干物指奶、玉米淀粉、饴糖、蔗糖 冰激凌总干物含量为25%到40%,这里的总干物指奶或还原奶。　　对于价格低廉的雪糕添加剂较多的现状,于宏昌指出,这是企业降低成本的表现。雪糕中如果添加水果、牛奶等,成本压力大。一些企业节省成本又想提升口味,就需要一些香料、增稠剂来“帮忙”。“所以,市民购买冰棍雪糕时,尽量不要购买过于鲜亮的。”　　专家说法：添加剂叠加用量,没有具体标准　　“冰糕融成一摊胶状物,应该是配方不合理,可能是食用胶添加过量所致。”于宏昌表示,正常情况下,冰糕中添加剂含量很少,不会出现这种情况,而雪糕、冰激凌更是只会化成水。　　质监部门的工作人员表示,根据国家标准,黄原胶、卡拉胶、刺槐豆胶这种添加剂的使用量没有最高量,属于相对较安全的添加剂,食品企业可以根据需要适量添加。　　对此,山东省轻工业学院食品与生物工程学院赵教授表示,根据该款冰棍外包装上的标识来看,执行的是SB/T10016标准,这是一个商业推荐性标准,但冰棍中的食品添加含量多少,必须要符合国家食品添加剂使用标准(GB2760_2011)。目前关于食品添加剂的标准仍不够具体详细,尽管每种食品添加剂都在规定含量内,但仍可能存在一些问题。比如,冰棍中同时添加了多种防腐剂、色素,“多种增稠剂的叠加含量就有可能超标了,但关于食品添加剂叠加含量应控制在多少,国家目前并没有具体的标准。”　　搜狐健康补充阅读：　　问题：我国食品添加剂到底有哪些?　　解答：　　目前我国食品添加剂目录中有1960多种添加剂，共有22类。分别是(1)防腐剂(2)抗氧化剂(3)发色剂(4)漂白剂(5)酸味剂(6)凝固剂(7)疏松剂(8)增稠剂(9)消泡剂(10)甜味剂(11)着色剂(12)乳化剂(13)品质改良剂(14)抗结剂(15)增味剂(16)酶制剂(17)被膜剂(18)发泡剂(19)保鲜剂(20)香料(21)营养强化剂(22)其他添加剂【阅读：详细解读日常食品添加剂的危害】　　问题：食品增稠剂都有些什么?　　解答：　　由含有多糖类粘质物的植物和藻类制取，如淀粉、果胶、琼脂和海藻酸等，也有从蛋白质的动物原料制取，如明胶和酪蛋白等。少数是人工合成的，如聚丙烯酸钠。常用的增稠剂有淀粉、琼脂、明胶、藻蛋白酸钠、果胶、藻蛋白酸丙二酯、羧甲基纤维素及其盐类的各种变性淀粉(如酸处理淀粉、碱处理淀粉、漂白淀粉、氧化淀粉、乙酸酯化淀粉等)。植物胶类有阿拉伯树胶、瓜尔豆胶(guar gum)和黄原胶(xanthan gum)等。　　问题：明胶是什么?　　解答：　　明胶其实是一种蛋白质，它是用动物的皮或骨头水解熬制而成。人们喜欢吃猪皮、凤爪，并传说吃胶原蛋白美容，明胶就是胶原蛋白煮后的产物，肉皮冻也是明胶的凝冻。只要是食用级明胶，就不用担心。被许多人当作"神奇保健品"的阿胶，只不过是选材和工艺上有所不同，跟明胶并无本质差异。　　问题：哪些食物里可能会添加明胶?　　解答：　　一般而言，在食品加工中，明胶的使用量不大，主要作用有增稠、增加稳定性、成胶等。但是它的用途非常广泛，在主食，如酸辣粉、米线里 肉制品，如火腿肠、肉馅里 饮料，如酸性饮料、啤酒里 零食，如龟苓膏、老酸奶、冰激凌、棉花糖、橡皮糖里，都可能有它的身影。　　问题：食品明胶会对健康有什么影响?　　解答：　　食品中的明胶是一种不完全蛋白质，人体对其的吸收利用率很低。而果冻和龟苓膏中的卡拉胶除了"白占"胃容量之外，更没有任何营养成分。因此，尤其儿童要少吃含食用胶的食品，它会影响其他营养食品的摄入，可能导致儿童营养不良。　　问题：如果实在对食品中的明胶不放心，有没有远离明胶的办法呢?　　解答：　　四点能帮你远离明胶，1.不买皮冻、肉冻、水晶肠、灌汤包等食品。2.买酸奶不要追求浓稠或成冻，天然酸奶经过摇晃搅拌之后会变稀，比牛奶稠不了多少。3.少吃各种软糖、雪糕、冰激凌等产品。4.别买太便宜的产品。　　问题：果冻中用的是卡拉胶和魔芋胶，我还听说有果胶，食物中常用的有哪些"胶"呢?　　解答：　　常用的水胶体，其实都是"天然产物"。它们有的来自海藻的提取物，比如琼脂和卡拉胶 有的来自橘子皮和苹果榨汁后的残渣，比如果胶 有的来自植物的种子，比如阿拉伯胶、瓜尔豆胶、槐豆胶 还有一些水胶体由微生物发酵得到，比如黄原胶。多数的水胶体是直接的提取物，只有很少数经过一定的加工，比如羧甲基纤维素(CMC)。广泛检验表明，它们对健康并没有危害。

水占地球表面积的71%，但没有人知道如此大量的水是如何或何时到达并存在于地球的。15日发表在《自然》杂志上的一项新研究，让科学家们离回答这个问题又近了一步。研究人员发现，地球上的水并非来自熔化的陨石。 美国马里兰大学科研团队分析了自45亿年前太阳系形成以来一直漂浮在太空中的熔化陨石。他们发现，这些陨石的水含量极低。事实上，它们是有史以来测量到的最干燥的物质之一。这些结果使研究人员排除了它们是地球上水的主要来源，这对在其他行星上寻找水和生命具有重要意义。 研究人员分析了7颗熔化的陨石，也就是无球粒陨石，这些陨石从至少5颗“星子”（微行星体）分裂后坠入地球数十亿年。这些“星子”碰撞形成了太阳系中的行星。在熔化的过程中，许多这样的微行星体被早期太阳系放射性元素的衰变所加热，导致它们分裂成具有地壳、地幔和地核的层。 由于这些陨石最近才落到地球上，这次实验首次测量了它们的挥发物。研究人员使用电子探针测量了它们的镁、铁、钙和硅的水平，然后用二次离子质谱仪测量了它们的水含量。 为减少污染，研究人员首先将他们的样本放在低温真空烤箱中烘烤，以去除任何地表水。在样品可在二次离子质谱仪中进行分析之前，样品必须再次干燥。 在分析了无球粒陨石样本后，研究人员发现，水在其质量中所占比例不到百万分之二。相比之下，最潮湿的陨石——碳质球粒陨石含有高达20%的水（按重量计），是团队研究的陨石样本的10万倍。这意味着，无论这些微行星体起源于太阳系的哪里，也不管它们一开始有多少水，微行星体的加热和熔化都会导致几乎全部的水分损失。 研究人员发现，与流行的看法相反，并不是所有的太阳系外天体都富含水。这导致他们得出结论，水很可能是通过未熔化的陨石或球粒陨石输送到地球的。