【水合离子神秘特性被发现或催生新型离子电池】钠离子水合物的亚分子级分辨成像 。 从左至右， 依次为五种离子水合物的原子结构图、扫描隧道显微镜图、原子力显微镜图和原子力成像模拟图 。 图像尺寸：1.5 nm ×1.5 nm 。
人民网北京5月14日电（赵竹青）近日， 中国科学家领先世界， 首次得到了水合钠离子的原子级分辨图像， 并发现了一种水合离子输运的幻数效应 。 该研究对于离子电池研发、海水淡化、生物离子通道等热门课题的研究打开了一扇崭新的大门 。
这一研究成果于5月14日发表在国际顶级学术期刊《自然》上 。 成果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 。
揭开水分子最神秘的一层面纱
水是自然界中最丰富、人们最为熟悉， 同时也是最不了解的一种物质 。 水为什么会如此神秘？“这与它的组成相关 。 ”文章通讯作者之一、中科院院士王恩哥告诉采访人员， 因为水分子中的氢原子是元素周期表中最轻的原子， 无法直接套用较为简单的经典粒子模型来研究它， 而是需要对它进行“全量子化”的模拟， 即必须将其原子核和电子都看作量子， 这大大增加了研究的难度 。
“水与其他物质的相互作用同样也是非常复杂的过程 。 ”文章通讯作者之一、北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖表示， 最常见的就是离子的水合过程 。 当盐溶于水的时候， 溶解后形成的离子并不是游离在水中， 而是和水分子结合在一起形成“团簇”——叫做离子水合物 。 “离子水合可以说是无处不在， 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 。 ”
离子水合物有着什么样的微观结构？它又是怎样运动的？这些问题一直是学术界争论的焦点 。 据了解， 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， 但是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， 至今一直没有定论 。
拨开迷雾， 人类首次看到离子水合物清晰图像
近年来， 王恩哥、江颖与同事和学生们一起合作， 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， 为研究积累了丰厚的实验和理论基础 。
要在原子尺度上对水合离子进行高分辨成像， 首先需要“分离出”单个的水合离子 。
这是一件相当困难的事 。 为了解决这一难题， 研究人员经过不断的尝试和摸索， 基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术， 制备出了单个的离子水合物——用非常尖锐的金属针尖在氯化钠薄膜表面移动， 吸取到单个的钠离子， 然后再“拖动”水分子与其结合 。 由此得到了含有不同数目水分子的单个“水合钠离子” 。
实验制备出单个离子水合物团簇后， 接下来面临的第二个挑战是：通过高分辨率成像弄清楚其几何吸附构型 。
对此难题， 研究人员发展了基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术， 可以依靠极其微弱的高阶静电力来扫描成像 。 他们将此技术应用到离子水合物体系， 首次获得了原子级分辨成像， 并成功确定了其原子吸附构型 。
这是国际上首次在实空间得到离子水合物的原子层次图像 。 而且这一图像相当清晰：不仅是水分子和离子的吸附位置可以精确确定， 就连水分子取向的微小变化都可以直接识别 。 可以说， 空间分辨几乎到了原子的极限 。
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