鈉離子水合物的亞分子級(jí)分辨成像。從左至右，依次為五種離子水合物的原子結(jié)構(gòu)圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。圖像尺寸：1.5nm×1.5nm。

　　近日，中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)先世界，首次得到了水合鈉離子的原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)了一種水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。該研究對(duì)于離子電池研發(fā)、海水淡化、生物離子通道等熱門課題的研究打開了一扇嶄新的大門。

　　這一研究成果于5月14日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上。成果由北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤課題組與中國(guó)科學(xué)院/北京大學(xué)王恩哥課題組合作完成。

　　揭開水分子最神秘的一層面紗

　　水是自然界中最豐富、人們最為熟悉，同時(shí)也是最不了解的一種物質(zhì)。水為什么會(huì)如此神秘?“這與它的組成相關(guān)。”文章通訊作者之一、中科院院士王恩哥告訴記者，因?yàn)樗肿又械臍湓邮窃刂芷诒碇凶钶p的原子，無(wú)法直接套用較為簡(jiǎn)單的經(jīng)典粒子模型來(lái)研究它，而是需要對(duì)它進(jìn)行“全量子化”的模擬，即必須將其原子核和電子都看作量子，這大大增加了研究的難度。

　　“水與其他物質(zhì)的相互作用同樣也是非常復(fù)雜的過(guò)程。”文章通訊作者之一、北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎表示，最常見的就是離子的水合過(guò)程。當(dāng)鹽溶于水的時(shí)候，溶解后形成的離子并不是游離在水中，而是和水分子結(jié)合在一起形成“團(tuán)簇”——叫做離子水合物。“離子水合可以說(shuō)是無(wú)處不在，在眾多物理、化學(xué)、生物過(guò)程中扮演著重要的角色，比如鹽的溶解、電化學(xué)反應(yīng)、生命體內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。”

　　離子水合物有著什么樣的微觀結(jié)構(gòu)?它又是怎樣運(yùn)動(dòng)的?這些問(wèn)題一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。據(jù)了解，早在19世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合的存在并開始了系統(tǒng)的研究，但是經(jīng)過(guò)了一百多年的努力，離子的水合殼層數(shù)、各個(gè)水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對(duì)水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運(yùn)性質(zhì)的微觀因素等諸多問(wèn)題，至今一直沒(méi)有定論。

　　撥開迷霧，人類首次看到離子水合物清晰圖像

　　近年來(lái)，王恩哥、江穎與同事和學(xué)生們一起合作，發(fā)展了原子水平上的高分辨掃描探針技術(shù)和針對(duì)輕元素體系的全量子化計(jì)算方法，為研究積累了豐厚的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

　　要在原子尺度上對(duì)水合離子進(jìn)行高分辨成像，首先需要“分離出”單個(gè)的水合離子。

　　這是一件相當(dāng)困難的事。為了解決這一難題，研究人員經(jīng)過(guò)不斷的嘗試和摸索，基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，制備出了單個(gè)的離子水合物——用非常尖銳的金屬針尖在氯化鈉薄膜表面移動(dòng)，吸取到單個(gè)的鈉離子，然后再“拖動(dòng)”水分子與其結(jié)合。由此得到了含有不同數(shù)目水分子的單個(gè)“水合鈉離子”。

　　實(shí)驗(yàn)制備出單個(gè)離子水合物團(tuán)簇后，接下來(lái)面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)是：通過(guò)高分辨率成像弄清楚其幾何吸附構(gòu)型。

　　對(duì)此難題，研究人員發(fā)展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)，可以依靠極其微弱的高階靜電力來(lái)掃描成像。他們將此技術(shù)應(yīng)用到離子水合物體系，首次獲得了原子級(jí)分辨成像，并成功確定了其原子吸附構(gòu)型。

　　這是國(guó)際上首次在實(shí)空間得到離子水合物的原子層次圖像。而且這一圖像相當(dāng)清晰：不僅是水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子取向的微小變化都可以直接識(shí)別。可以說(shuō)，空間分辨幾乎到了原子的極限。

　　發(fā)現(xiàn)奇妙的動(dòng)力學(xué)“幻數(shù)效應(yīng)”

　　在得到離子水合物的微觀圖像后，研究人員進(jìn)一步對(duì)其動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)做了研究，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的效應(yīng)：在氯化鈉晶體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，包含有特定數(shù)目水分子的鈉離子水合物似乎患上了“多動(dòng)癥”——具有異常高的擴(kuò)散能力，運(yùn)動(dòng)速度比其他的水合物要高10-100倍。研究人員將這種特性稱為動(dòng)力學(xué)的“幻數(shù)效應(yīng)”。

　　為什么會(huì)出現(xiàn)這種奇特的現(xiàn)象?通過(guò)模擬計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)這種幻數(shù)效應(yīng)來(lái)源于離子水合物與表面晶格的對(duì)稱性匹配程度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是包含1、2、4、5個(gè)水分子的鈉離子水合物容易被氯化鈉晶體表面“卡住”，而含有3個(gè)水分子的離子水合物，由于對(duì)稱性與襯底不匹配，卻很難被“卡住”，所以會(huì)在其表面很快速地“滑動(dòng)”。

　　這一工作首次建立了離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，刷新了人們對(duì)于受限體系中離子輸運(yùn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

　　水合離子變得可以操控，能為我們帶來(lái)什么?

　　據(jù)了解，這項(xiàng)研究工作得到了《自然》雜志三個(gè)不同領(lǐng)域?qū)徃迦说囊恢潞迷u(píng)和欣賞。他們認(rèn)為，該工作“會(huì)馬上引起理論和應(yīng)用表面科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣”，“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運(yùn)提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”。

　　王恩哥院士介紹，“該項(xiàng)研究的結(jié)果表明，我們可以通過(guò)改變材料表面的對(duì)稱性和周期性，來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性增強(qiáng)或減弱某種離子輸運(yùn)能力的目的。這對(duì)很多相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義。”

　　比如可以研發(fā)出新型的離子電池。江穎告訴記者，現(xiàn)在我們所使用的鋰離子電池，其電解液一般是由大分子聚合物組成，而基于這項(xiàng)最新的研究，將有可能開發(fā)出一種基于水合鋰離子的新型電池。“這種電池將大大提高離子的傳輸速率，從而縮短充電時(shí)間和增大電池功率，更加環(huán)保、成本也將大幅降低。”

　　另外，這項(xiàng)成果還為防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等前沿領(lǐng)域的研究開辟了一條新的途徑。同時(shí)，由該工作發(fā)展出的高精度實(shí)驗(yàn)技術(shù)未來(lái)還有望應(yīng)用到更多更廣泛的水合物體系。