我國研究人員首次獲得了水合離子的原子級分辨成像，并結(jié)合第一性原理計算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構(gòu)型。這也是水合離子概念提出一百多年來，首次在實驗中直接“看到”水合離子的原子級圖像。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種有趣的水合離子輸運幻數(shù)效應(yīng)：包含有三個水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他水合物要高一至兩個量級，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率
　　北京時間5月14日23時，英國《自然》發(fā)表中國科學(xué)家的一項重磅研究成果。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科學(xué)院/北京大學(xué)王恩哥課題組合作，在國際上首次得到水合鈉離子原子級分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)了一種水合離子輸運的幻數(shù)效應(yīng)。
　　“水與其他物質(zhì)的相互作用是非常復(fù)雜的過程。由于水是強(qiáng)極性分子，它作為溶劑能使很多鹽發(fā)生溶解，并且與溶解的離子結(jié)合在一起形成團(tuán)簇，此過程稱為離子水合，形成的離子水合團(tuán)簇稱為離子水合物?！北本┐髮W(xué)量子材料科學(xué)中心江穎教授告訴記者，離子水合幾乎無處不在，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。
　　離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點。早在19世紀(jì)末，人們就意識到離子水合的存在并開始系統(tǒng)研究，最早的實驗研究可以追溯到1900年德國著名物理化學(xué)家內(nèi)斯特的遷移實驗。
　　但是，100多年來，離子的水合殼層數(shù)、各個水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運性質(zhì)的微觀因素等諸多問題，至今仍無定論?！瓣P(guān)鍵在于缺乏單原子、單分子尺度的表征和調(diào)控手段，以及精準(zhǔn)可靠的計算模擬方法?！苯f說。
　　為了解決這一難題，研究人員經(jīng)過不斷嘗試和摸索，基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨特的離子操控技術(shù)，得以可控地制備單個離子水合物，并且發(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，首次獲得了原子級分辨成像，并結(jié)合第一性原理計算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構(gòu)型。從圖中可以看到，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別。這也是水合離子概念提出一百多年來，首次在實驗中直接“看到”水合離子的原子級圖像。
　　同時，研究人員通過非彈性電子激發(fā)控制單個水合離子在氯化鈉表面上的定向輸運，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)：包含有三個水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他水合物要高一至兩個量級，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率。
　　具體來說，包含一、二、四、五個水分子的離子水合物總能通過調(diào)整找到與氯化鈉襯底的四方對稱性晶格匹配的結(jié)構(gòu)，因此與襯底束縛很緊，不容易運動；而含有三個水分子的離子水合物，卻很難與四方對稱性的氯化鈉襯底匹配，因此會在表面形成很多亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉(zhuǎn)，使得離子水合物的擴(kuò)散勢壘大大降低，遷移率顯著提高。
　?。ㄔd于《文匯報》 2018-05-15 08版）