破解百年之謎，中國科學家首次「看到」水的原子極限

　　2018年05月15日 09:38 新浪科技綜合

　　來源：來點科學公眾號

　　繼2014年獲得世界第一張亞分子級解析度的水分子圖像后，中國科學家再次取得突破，將解析度推向了氫原子極限，首次「看到」水合離子的原子級分辨圖像。

　　——這是水合離子的概念提出一百多年來，人類第一次在實空間直接「看到」水合離子的原子級圖像。

　　

　　

　　5月14日上午，中國科學院科學傳播局在北京舉行新聞發布會宣布了這項成果。該工作由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與中國科學院/北京大學王恩哥課題組合作完成，相關成果已於當天在國際著名學術期刊《自然》雜誌（Nature）發表。

　　中國科學院院士、北京大學講席教授、中國科學院大學卡維里研究所名譽所長王恩哥說，我們都知道水的結構，但直到這次我們才看清楚水分子中的氫原子在什麼位置。氫原子是世界上最輕的原子，我們看到了自然界的原子的極限。

　　

　　水，這個自然界中最豐富、人們最為熟悉的物質，卻也是人類最不了解的物質之一。《科學》雜誌（Science）在創刊125周年之際，公布了本世紀125個最具挑戰性的科學問題，其中就包括：水的結構如何？2015年，《德國應用化學》也將水的相關問題列入未來24個關鍵化學問題。

　　在當天的發布會上，王恩哥說，水之所以如此複雜，其中一個重要原因是氫（H）原子核的量子效應。水的分子結構很簡單：H2O，而H是元素周期表中最輕的原子。一般來說，如果原子核較重，可以近似地把它處理為經典粒子，只需把電子量子化，從而對其進行研究——但這種方法套用在H這種「近似電子重量」的原子核身上，就失效了。

　　

　　此外，水與其他物質的相互作用同樣十分非常複雜。北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎說，由於水是強極性分子，它作為溶劑能使很多鹽發生溶解，而且能與溶解的離子結合在一起形成團簇，此過程稱為離子水合

　　——這種過程可以說是無處不在，而且在眾多物理、化學、生物過程中扮演著重要的角色，比如：鹽的溶解、電化學反應、生命體內的離子轉移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。

　　事實上，離子水合物的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點。早在19世紀末，人們就意識到離子水合的存在並開始了系統的研究，然而，儘管經過了一百多年的努力，離子的水合殼層數、各個水合層中水分子的數目和構型、水合離子對水氫鍵結構的影響、決定水合離子輸運性質的微觀因素等諸多問題，至今仍沒有定論。

　　究其原因，關鍵在於缺乏單原子、單分子尺度的表徵和調控手段，以及精準可靠的計算模擬方法。近年來，王恩哥、江穎與同事、學生一起合作，發展了原子水平上的高分辨掃描探針技術和針對輕元素體系的全量子化計算方法，在水/冰的結構和動力學研究中得到了成功的應用，通過實驗和理論的深度融合，刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認知。

　　

　　

　　當天，王恩哥表示，經過中國科學家20多年的持續投入、4個課題組的緊密合作，終於在實驗上製備出的單個離子水合物團簇，並通過高分辨成像搞清楚了其幾何吸附構型。

　　在此基礎上，研究人員還發現了一種有趣的幻數效應：包含有特定數目水分子的鈉離子水合物，具有異常高的擴散能力——說白了就是比其他水合物「跑得快」。

　　江穎說，這項工作對相關應用領域具有重要的潛在意義，比如：離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化、生物離子通道等等。此外，該工作發展的實驗技術也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系，開闢全新的研究領域。

　　

　　

　　

　　這項研究得到了《自然》雜誌三個不同領域審稿人的好評，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並可以拓展到其他水合體系」。