我國科學家在離子水合和輸運領域取得重要進展

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：11634001, 21725302, 11525520, 21573006, 11290162/A040106）等資助下，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北京大學/中國科學院王恩哥課題組合作，首次得到水合鈉離子的原子級分辨圖像，并發現了一種水合離子輸運的幻數效應。研究成果以“The Effect of Hydration Number on the Interfacial Transport of Sodium Ions”（水合分子數對鈉離子在界面輸運中的影響）為題，于2018年5月14日在國際頂級學術期刊Nature（《自然》）上發表，彭金波、曹端云、何智力為共同第一作者，江穎教授、王恩哥院士、高毅勤教授和徐莉梅教授為文章的共同通訊作者。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-018-0122-2。

　　水合離子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作用的存在并開始系統研究。但是經過一百多年努力，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，關鍵在于缺乏原子尺度的實驗表征手段。

　　為突破實驗瓶頸，我國學者基于掃描隧道顯微鏡研發了一套獨特的離子/分子操控技術，在氯化鈉表面上可控制備單個水合鈉離子，水分子數目精確可調，為高分辨成像創造了條件。在此基礎上，他們研發了非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，依靠極其微弱的高階靜電力來成像，克服針尖對弱鍵合水合離子的擾動并首次實現原子級分辨表征，精確確定其微觀吸附構型（圖a-e）。這是水合離子概念提出一百多年來，首次在實驗中直接“看到”水合離子的原子級圖像。

　　研究人員進一步利用帶電的針尖作為電極，控制單個水合離子在氯化鈉表面上的定向輸運，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，遷移率比其他水合物要高1-2個量級，甚至遠高于體相離子的遷移率（圖f和g）。結合第一性原理計算和經典分子動力學模擬，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，而且可以在很大一個溫度范圍內存在（包括室溫）。此外，研究人員還發現這種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。

　　該研究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。研究結果表明，可以通過改變表面晶格對稱性和周期性來控制受限環境或納米流體中離子的輸運，從而達到選擇性增強或減弱某種離子輸運能力的目的，這對離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化、生物離子通道等很多相關的應用領域都具有重要的潛在意義。

　　該研究工作得到Nature三個不同領域審稿人一致好評，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并可以拓展到其他水合體系”。Nature Reviews Chemistry（《自然綜述·化學》）對該工作進行亮點報道。

圖. a-e. 鈉離子水合物的原子級分辨成像。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。f. 鈉離子水合物在NaCl表面輸運的幻數效應效果圖，表明包含3個水分子的水合物具有異常強的擴散能力。g. 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。