浏览完整试题随着实验进一步深入,江颖教授发现,冰表面的无序与温度有关。在进行系统的变温生长实验时,他们发现,冰表面在-153℃时就开始融化,此时原本长程有序的超结构中出现大小不一的晶畴,超结构序随温度升高逐渐消失,而畴界附近出现一种亚稳态的局域平面化结构,该结构通过断键和成键引发周围大面积无序,如同融化的启动器;只有当温度达到-153℃,冰的表面才不再融化。这时候,我们就可以看到冰表面真正的样子了。 考虑到预融化开始的温度与地球目前测得的最低温度大致相当,这表明在自然环境中,大多数冰表面已经处于预融化的状态。如果你想要得到一块“不含一滴水”的冰块,放眼整个地球,很可能找不到。也就是说,江颖教授在未名湖拍下的结冰湖面,表面确实是有水的! 江颖和团队的研究成果颠覆了长久以来学术界对于冰表面结构和预融化机制的认知,后续可能对多个领域产生深远的影响。 (摘编自雅家《散步未名湖,“水”出顶刊论文》,《大学生》2024年第11期) 材料二: “水的结构是什么”与“如何从微观层面测量界面现象”分别是《科学》杂志于2005年和2021年公布的两个科学难题,而其交汇点正是“纳米受限水的结构研究”,这是一个极具挑战性的前沿堡垒。为此,江颖团队经过多年的努力,创造性地将高端扫描探针技术与量子传感技术融为一体,打造出一套独一无二的扫描量子传感显微系统。这项技术如同为科学家装上了“原子尺度的磁共振成像仪”,其灵敏与精准程度远超传统手段,终于让直接观测埋藏在界面处的、纳米空腔内水的结构和相变行为成为可能。 团队在实验中揭示了一幅清晰的物理图景:当受限水的空间尺寸缩小到1.6纳米以下,其中水分子的扩散运动便显著放缓,水进入一种既非典型液体也非典型固体的新奇“类固体”状态;而当空间被进一步压缩至1纳米以下时,奇迹在室温下发生了——受限水完全“冻结”,形成了晶体结构。“这一系列实验观测,也得到了分子动力学模拟的有力佐证。”江颖说,这一发现不仅仅是对一种特殊状态下水的刻画,更提供了一个统一的物理框架,用以解释纳米受限水那些令人费解的反常性质。 这项研究也澄清了纳米流体学领域的一个关键争议:在纳米尺度的通道中,流体可能不再呈现简单的液体流动行为,而是以“类固体”形式进行近乎无摩擦的“超润滑”输运。这一深刻理解,为设计下一代高效能技术铺平了道路,未来在海水淡化、空气取水、纳米过滤、新型能量收集系统等领域,都有可能引发颠覆性技术变革。 (摘编自晋浩天《水在纳米尺度的“样子”被首次观测》,《光明日报》2024年1月23日) 1. 下列对材料相关内容的理解和分析,不正确的一项是( ) A. 江颖教授冬日漫步未名湖发现冰面特殊波纹,由此萌生探究冰表面结构的想法,就此开启了持续多年围绕水微观结构展开的系列科学研究工作。 B. 氢原子体积极小,难以被仪器直接观测,江颖团队采用皮米级尖端探针模拟“触摸探测”,率先成功获取水分子内部氢原子图像与氢氧排布信息。 C. -153℃是冰预融化临界温度,低于该温度时,冰表面不再发生融化现象,据此可推知地球上几乎不存在完全不含液态水成分的纯净冰块。 D. 江颖团队打造出扫描量子传感显微系统,成功攻克了《科学》杂志提出的“水的结构是什么”与“如何从微观层面测量界面现象”这两大世界难题。 2. 根据材料内容,下列说法正确的一项是( ) A. 江颖团队发布单个水分子完整成像成果后,众多学界同行纷纷跟进相关研究,足以印证该成果完整清晰、具备极高的学术参考价值。 B. 长久以来学界对冰表面结构认知模糊,根源是缺少高分辨率观测设备,江颖团队研制的显微镜彻底扫清了该领域所有研究阻碍。 C. 文中将扫描量子传感显微系统比作原子尺度的磁共振成像仪,意在凸显设备操作简便、普及门槛低,便于普通科研人员日常使用。 D. 当受限水空间尺寸高于1.6纳米时,水分子扩散速度会明显加快;仅在1纳米以下狭小空间中,受限水才会室温形成晶体。 3. 材料一是一篇人物通讯,下列对其写作特点的分析,最恰当的一项是( ) A. 从江颖教授散步偶遇冰面异象切入,以科研历程为主线,多处穿插直接引语和细节描写,凸显科研人物的思考与坚守。 B. 本文先交代江颖早期研究决心与2014年初次突破,然后再回到未名湖冰面发现一事,叙事时间的跳跃性较强。 C. 文章在叙述江颖科研经历的同时,对扫描探针显微镜的技术原理和变温实验数据也有较多说明,科学信息较为丰富。 D. 文章以江颖团队的实验研究过程为叙述主体,呈现其技术突破与验证经历,旨在展示微观水科学领域的研究范式。 4. 江颖团队在微观水科学领域实现重大突破,体现在哪些方面?请根据材料简要概括。 5. 某科普馆讲解员获得采访江颖教授团队的机会,请根据材料提出两个问题,并分别阐明提问的理由。 【答案】1. D 2. A 3. A 4. ①自主研发核心观测仪器,实现埃米级分辨率。 ②首次实现单个水分子完整成像。 ③揭示冰表面预融化机制,颠覆百年认知。 ④建立纳米受限水统一理论框架。 5. 示例: ①问题:相比传统观测设备,扫描量子传感显微系统具备哪些技术优势? 理由:材料二明确对比该系统与传统仪器的灵敏度、观测精度,该问题能直观展现我国自研设备的技术优势。 ②问题:纳米受限水的相关研究成果,可能给普通人的生活带来哪些改变? 理由:材料二提及该研究可推动海水淡化、空气取水等领域的技术变革,该问题能连接基础科研与现实应用,激发参观者兴趣。 【解析】 【导语】本文报道了江颖教授团队因未名湖偶获灵感,攻坚研发出顶级观测仪器,成功实现单个水分子成像,揭示冰表面预融化机制及纳米受限水奥秘,该成果将对未来技术变革产生深远影响。 【1题详解】 D.“成功攻克了……这两大世界难题”错误。根据材料二“其交汇点正是‘纳米受限水的结构研究’,这是一个极具挑战性的前沿堡垒。为此,江颖团队经过多年的努力……”可知,江颖团队仅攻克两大难题的交汇方向“纳米受限水的结构研究”,并未完整攻克两大世界级难题。 故选D。 【2题详解】 B.“彻底扫清了该领域所有研究阻碍”错误。根据材料一“锻造出‘qPlus型扫描探针显微镜’这把利器之后,江颖教授终于可以回到‘湖面是冰还是水’的问题上来了”可知,新型显微镜解决了冰表面观测难题,但无法消除该领域全部科研难点。