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破解百年之谜,中国科学家首次“看到”水的原子极限

2018-05-15   米币网

  来源:来点科学公众号

  继2014年获得世界第一张亚分子级分辨率的水分子图像后,中国科学家再次取得突破,将分辨率推向了氢原子极限,首次“看到”水合离子的原子级分辨图像。

  ——这是水合离子的概念提出一百多年来,人类第一次在实空间直接“看到”水合离子的原子级图像。

  5月14日上午,中国科学院科学传播局在北京举行新闻发布会宣布了这项成果。该工作由北京大学量子材料科学中心江颖课题组、徐莉梅课题组、北京大学化学与分子工程学院高毅勤课题组与中国科学院/北京大学王恩哥课题组合作完成,相关成果已于当天在国际著名学术期刊《自然》杂志(Nature)发表。

中国科学院院士、北京大学讲席教授、中国科学院大学卡维里研究所名誉所长王恩哥说,我们都知道水的结构,但直到这次我们才看清楚水分子中的氢原子在什么位置。氢原子是世界上最轻的原子,我们看到了自然界的原子的极限。

  水,这个自然界中最丰富、人们最为熟悉的物质,却也是人类最不了解的物质之一。《科学》杂志(Science)在创刊125周年之际,公布了本世纪125个最具挑战性的科学问题,其中就包括:水的结构如何?2015年,《德国应用化学》也将水的相关问题列入未来24个关键化学问题。

  在当天的发布会上,王恩哥说,水之所以如此复杂,其中一个重要原因是氢(H)原子核的量子效应。水的分子结构很简单:H2O,而H是元素周期表中最轻的原子。一般来说,如果原子核较重,可以近似地把它处理为经典粒子,只需把电子量子化,从而对其进行研究——但这种方法套用在H这种“近似电子重量”的原子核身上,就失效了。

  此外,水与其他物质的相互作用同样十分非常复杂。北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖说,由于水是强极性分子,它作为溶剂能使很多盐发生溶解,而且能与溶解的离子结合在一起形成团簇,此过程称为离子水合

  ——这种过程可以说是无处不在,而且在众多物理、化学、生物过程中扮演着重要的角色,比如:盐的溶解、电化学反应、生命体内的离子转移、大气污染、海水淡化、腐蚀等。

  事实上,离子水合物的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末,人们就意识到离子水合的存在并开始了系统的研究,然而,尽管经过了一百多年的努力,离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题,至今仍没有定论。

  究其原因,关键在于缺乏单原子、单分子尺度的表征和调控手段,以及精准可靠的计算模拟方法。近年来,王恩哥、江颖与同事、学生一起合作,发展了原子水平上的高分辨扫描探针技术和针对轻元素体系的全量子化计算方法,在水/冰的结构和动力学研究中得到了成功的应用,通过实验和理论的深度融合,刷新了人们对水和其他氢键体系的认知。

  当天,王恩哥表示,经过中国科学家20多年的持续投入、4个课题组的紧密合作,终于在实验上制备出的单个离子水合物团簇,并通过高分辨成像搞清楚了其几何吸附构型。

  在此基础上,研究人员还发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水分子的钠离子水合物,具有异常高的扩散能力——说白了就是比其他水合物“跑得快”。

  江颖说,这项工作对相关应用领域具有重要的潜在意义,比如:离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等等。此外,该工作发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次,未来有望应用到更多更广泛的水合物体系,开辟全新的研究领域。

  这项研究得到了《自然》杂志三个不同领域审稿人的好评,认为该工作“会马上引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”,“为在纳米尺度控制表面上的水合离子输运提供了新的途径并可以拓展到其他水合体系”。

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