Машинное обучение и микроскопия раскрыли 170-летнюю тайну предплавления льда

Учёные из Китая, объединив методы машинного обучения и атомно-силовой микроскопии (АСМ), впервые визуализировали молекулярную структуру поверхности «предплавленного» льда. Это явление, при котором на поверхности льда образуется жидкоподобный слой даже при температурах значительно ниже нуля, было впервые описано Майклом Фарадеем более 170 лет назад.

Раскрытие атомной структуры предплавленного льда. Автор: Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/9fzf-y9n9

Несмотря на долгую историю изучения, микроскопическая структура этого слоя оставалась загадкой из-за сложностей наблюдения неупорядоченных структур на атомном уровне. Группа под руководством Лимэй Сюй из Пекинского университета преодолела это ограничение, обучив алгоритм машинного обучения на данных молекулярно-динамического моделирования с добавлением реалистичного экспериментального шума. Это позволило реконструировать трёхмерные атомные структуры по данным АСМ.

Схематическая иллюстрация процесса обучения и предсказания. Автор: Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/9fzf-y9n9

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review X, показало, что в диапазоне от –152 °C до –93 °C на поверхности льда формируется аморфный слой. Его молекулы воды, хотя и остаются в твёрдом состоянии, не имеют упорядоченной кристаллической решётки. По мере роста температуры этот слой постепенно эволюционирует в квазижидкий.

Это открытие меняет понимание предплавления и даёт новую перспективу для изучения роста кристаллических поверхностей. Разработанный метод может найти широкое применение в исследовании каталитических интерфейсов, функциональных материалов и биологических систем.