北大《Nature》科學家首次看到水合鈉離子的原子級“真面目”

　　在日常生活中，舀一勺鹽，倒進一杯水里攪一攪，得到一杯鹽水，這是再平常不過的事了。但就是這件小事，卻難倒了無數大科學家。人們已經知道，水能溶解很多東西，并與其形成團簇，但這種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。直到5月14日出版的英國《自然》雜志刊發了一篇北京大學江穎、徐莉梅、高毅勤課題組與中國科學院/北京大學王恩哥課題組合作的研究成果后，人們才首次看到水合鈉離子的原子級“真面目”，研究人員還同時發現了一種水合離子輸運的幻數效應。

自然溫柔物 科學硬骨頭

　　“水可以說是soft in nature，hard in science。水看起來很簡單，元素構成也很簡單，但在科學上卻是個大難題。”中科院院士、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坦言，“實際上，科學家從來都沒能把水真正搞懂過。而且越研究，問題就越多。”

　　作為自然界中最豐富、人們最為熟悉的一種物質，水為何會如此神秘？原來，這與它的元素組成有關。

水分子使氯化鈉（NaCl）溶解形成離子水合物

　　水分子中含有氫原子，而氫原子是元素周期表中最輕的原子。對這么輕的元素，一般的計算方法是失效的，必須要把原子核和電子的量子效應都算進去，這也就是全量子化。而全量子化效應對于理解水的微觀結構和反常特性至關重要。

　　同時，水與其他物質的相互作用也是非常復雜的過程。水把其他物質溶解，形成離子水合，這在在眾多物理、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。

　　科學家對離子水合的研究從19世紀末就開始了，但至今許多問題仍無定論。“究其原因，關鍵在于缺乏直接觀測的實驗手段，以及精準可靠的計算模擬方法。” 北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎說。

“看見”鹽水

　　近年來，王恩哥、江穎等人合作，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，首次在實空間獲得了水分子的亞分子級分辨圖像，為水合物的原子尺度研究打下了堅實的基礎。

　　雖然只要把鹽倒進水里就能得到離子水合物，但要把單個離子水合物挑出來研究，那可不是件簡單事。

在NaCl表面人工制備單個鈉離子水合物的方法

　　為了解決這一難題，研究人員經過不斷嘗試和摸索，發展了一套基于掃描隧道顯微鏡的獨特離子操控技術，能夠將非常尖銳的金屬針尖當做原子、分子世界的“機械手”，可控地制備單個離子水合物。

　　隨后，研究人員發展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，可以依靠極其微弱的高階靜電力來掃描成像，解決了脆弱的水合離子容易被探針擾動的難題。他們將此技術應用到離子水合物體系，最終在國際上首次在實空間得到了鈉離子水合物的原子層次圖像。

　　“中國人有句話是‘眼見為實’。這是水合離子的概念提出一百多年來，第一次直接‘看到’水合離子的原子級圖像，就連水分子氫原子取向的微小變化都可以直接識別，這幾乎是到了成像的極限。”江穎說。

“魔法”數字3

　　為了進一步研究離子水合物的動力學輸運性質，研究人員利用帶電的針尖作為電極，觀察單個水合鈉離子在氯化鈉襯底上的運輸情況。

　　這時候，一種奇特的現象出現了。“我們發現，含有3個水分子的離子水合物，像裝上了輪子一樣‘跑’的特別快。”江穎告訴《中國科學報》記者，這種包含有特定數目水分子的鈉離子水合物具有異常高擴散能力的現象，也即：“幻數效應”。

鈉離子水合物的亞分子級分辨成像。從左至右，依次為五種離子水合物的原子結構圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。圖像尺寸：1.5 nm ×1.5 nm。

　　研究人員發現，這種幻數效應來源于離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度，可以在很大一個溫度范圍內存在（包括室溫）。此外，他們還發現這種動力學幻數效應具有一定的普適性，適用于相當一部分鹽離子體系。

　　“水溶液中的離子輸運研究長期以來都是基于連續介質模型，而忽略了離子與水相互作用以及離子水合物和界面相互作用的微觀細節。該工作首次建立了離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，刷新了人們對于受限體系中離子輸運的傳統認識。”王恩哥表示。

　　實際上，倘若這一基礎研究領域的發現能被材料和技術領域的專家加以利用，這項聽上去非常“科幻”的成果，還可能對人類的實際生活產生重大影響。

鈉離子水合物在NaCl表面輸運的幻數效應。a，第一性原理計算得到的不同離子水合物擴散的勢壘；b，第一性原理計算得到的含有三個水分子的鈉離子水合物的擴散過程；c，分子動力學模擬得到的不同離子水合物在225K-300K下1ns時間內擴散的均方位移。

　　比如在海水淡化中，人們可以去設計具有特定表面對稱性和周期性的納米孔道，借助幻數效應來促進離子的擴散，讓淡化效率大大提高，甚至可以選擇性地通過一些對人體有用的離子，讓咸澀的海水直接變成“天然飲用礦泉水”。

　　此外，在離子電池、防腐蝕、電化學反應、生物離子通道等領域，這一發現都有著重要潛在應用價值。也因為如此，《自然》雜志審稿人認為，該工作“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并可以拓展到其他水合體系”，“會馬上引起理論和應用表面科學領域的廣泛興趣”。