中國多個科研團隊合作，繼2014年獲得世界首幅亞分子級分辨率的水分子圖像后，水科學領域近日再獲重大突破，在國際上首次得到水合離子的原子級分辨率圖像，并在此基礎上發現一種水合離子輸運的幻數效應。中國科學家這一重要科研成果，已于當地時間14日獲國際權威學術期刊《自然》在線發表。

    水是自然界中最豐富、人們最為熟悉，同時也是最不了解的一種物質。其中，離子水合物即水合離子的微觀結構和動力學，100多年來一直是學術界爭論的焦點。

    北京大學量子材料科學中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學化學與分子工程學院高毅勤課題組、中國科學院/北京大學王恩哥課題組就此展開合作，基于前期多年科研工作積累，通過攻克人工制備單個離子水合物、自主研發高精度顯微鏡探針等關鍵技術，最終在國際上首次得到離子水合物的原子層次圖像。

    北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎指出，這次得到水合離子原子級分辨率圖像，也是國際上首次在水合離子中清晰看到最小的氫原子，并利用實驗設備拍攝圖像，擁有直接的實驗證據。

    他介紹說，這項工作主要有兩大挑戰：一是單個離子水合物的人工制備，科研人員經過不斷嘗試和摸索，基于掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術，來可控的制備單個離子水合物；二是離子水合物的原子級分辨率成像，科研人員發展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，可以依靠極其微弱的高階靜電力來掃描成像。他們將此技術應用到離子水合物體系，首次獲得了原子級分辨率成像，并成功確定其原子吸附構型。

    獲得水合離子的原子級分辨率圖像后，科研人員還在研究離子水合物的動力學輸運性質過程中，發現一種有趣的幻數效應——包含有特定數目水分子的離子水合物具有異常高的擴散能力，遷移率比其他數目水分子的離子水合物要高1-2個量級。進一步研究發現，這種幻數效應來源于離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度，具體來說，含有3個水分子的離子水合物，遷移率顯著提高。

    上述成果有何意義？江穎表示，這些成果首次建立離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，可以通過改變表面晶格的對稱性和周期性來控制受限環境或納米流體中離子的輸運，從而達到選擇性增強或減弱某種離子輸運能力的目的，這對離子電池、防腐蝕、海水淡化等很多相關應用領域都具有重要的潛在意義。他希望同材料科學家進行合作，推動這項基礎研究成果盡快在業界得到應用。

    與此同時，該成果發展的實驗技術也首次將水合相互作用的研究精度推向原子層次，未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系，開辟全新的研究領域。

    中國科學家完成水合離子重大成果的工作也得到《自然》不同領域審稿人的一致好評，認為該工作“會馬上引起理論和應用表面科學領域的廣泛興趣”“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”。

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責任編輯：王元

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