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中國多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)合作，繼2014年獲得世界首幅亞分子級(jí)分辨率的水分子圖像后，水科學(xué)領(lǐng)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(jí)分辨率圖像，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)一種水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。中國科學(xué)家這一重要科研成果，已于當(dāng)?shù)貢r(shí)間14日獲國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。
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)。其中，離子水合物即水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)，100多年來一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點(diǎn)。
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、中國科學(xué)院/北京大學(xué)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(gè)離子水合物、自主研發(fā)高精度顯微鏡探針等關(guān)鍵技術(shù)，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(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎指出，這次得到水合離子原子級(jí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備拍攝圖像，擁有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
他介紹說，這項(xiàng)工作主要有兩大挑戰(zhàn)：一是單個(gè)離子水合物的人工制備，科研人員經(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(dú)特的離子操控技術(shù)，來可控的制備單個(gè)離子水合物；二是離子水合物的原子級(jí)分辨率成像，科研人員發(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)分辨率成像，并成功確定其原子吸附構(gòu)型。
獲得水合離子的原子級(jí)分辨率圖像后，科研人員還在研究離子水合物的動(dòng)力學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)——包含有特定數(shù)目水分子的離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他數(shù)目水分子的離子水合物要高1-2個(gè)量級(jí)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種幻數(shù)效應(yīng)來源于離子水合物與表面晶格的對(duì)稱性匹配程度，具體來說，含有3個(gè)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(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，可以通過改變表面晶格的對(duì)稱性和周期性來控制受限環(huán)境或納米流體中離子的輸運(yùn)，從而達(dá)到選擇性增強(qiáng)或減弱某種離子輸運(yùn)能力的目的，這對(duì)離子電池、防腐蝕、海水淡化等很多相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義。他希望同材料科學(xué)家進(jìn)行合作，推動(dòng)這項(xiàng)基礎(chǔ)研究成果盡快在業(yè)界得到應(yīng)用。
與此同時(shí)，該成果發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(yīng)用到更多更廣泛的水合物體系，開辟全新的研究領(lǐng)域。
中國科學(xué)家完成水合離子重大成果的工作也得到《自然》不同領(lǐng)域?qū)徃迦说囊恢潞迷u(píng)，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”。
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