鹽和水的科學魔法秀

水分子使氯化鈉溶解形成離子水合物。江穎供圖

　　鹽和水，這是人們最熟悉的兩種物質了。但在科學家的眼中，它們就不那么平凡了——在微觀世界中，鹽和水的結合有個科學名字：離子水合物。由于水是強極性分子，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，形成的離子水合團簇稱為離子水合物。

　　離子水合可以說是無處不在，在眾多物理、化學、生物過程中扮演著重要的角色。科學家們很早就認識到它們的重要性——最早的實驗研究可以追溯到1900年德國著名物理化學家、諾貝爾獎得主沃爾特·能斯特的遷移實驗。但一百多年來，科學家們對離子水合物的微觀結構和動力學一直難有定論。一個重要的原因就是缺乏單原子、單分子尺度的表征和調控手段，以及精準可靠的計算模擬方法。

　　如今，在北京大學和中國科學院的科學家手中，氯化鈉和水上演了一場科學魔法秀，讓人類對離子水合過程和離子水合物有了更深入的了解，推進了人類對水這種物質的認識。

　　1.研發核心部件和方法，達到原子水平觀測的極限

　　這項工作的突破之一，是在國際上首次得到了水合鈉離子的原子級分辨圖像。中國科學院院士、北京大學講席教授王恩哥說：“這可能就是原子水平觀測的極限了。”

　　為了得到這幅圖像，科學家們面臨著兩個挑戰：第一步，如何人工制備單個離子水合物？制作離子水合物非常容易——把鹽倒入水中溶解就可以了——但它們相互聚集、相互影響，水合結構也在不斷變化，要得到適合掃描探針顯微鏡研究的單個離子水合物是一件非常困難的事。

　　第二步，如何給離子水合物拍個原子級照片？實驗制備出單個離子水合物團簇后，接下來需要通過高分辨成像弄清楚其幾何吸附構型，也就是給它們拍個“原子照片”——由于離子水合物屬于弱鍵合體系，比水分子團簇更加脆弱，因此針尖很容易擾動離子水合物，從而無法得到穩定的圖像。

　　科學家們在之前研究的基礎上，對掃描探針顯微鏡做了改造，自主研制了關鍵核心設備。這一研究的主要完成人、北京大學物理學院教授江穎介紹，為了制備單個離子水合物，他們基于掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術，以制備單個離子水合物。江穎說：“首先用非常尖銳的金屬針尖在氯化鈉薄膜表面吸取一個氯離子，這樣便得到氯離子修飾的針尖和氯離子缺陷。然后用氯離子針尖將一個水分子拉入到氯離子缺陷中，再將針尖靠近缺陷最近鄰的鈉離子，水平拉動鈉離子，將鈉離子拔出吸附在針尖上。最后用帶有鈉離子的針尖掃描水分子，從而使鈉離子脫離針尖，與水分子形成含有一個水分子的鈉離子水合物。通過拖動其他水分子與此水合物結合，即可依次制備含有不同水分子數目的鈉離子水合物。”

　　為得到離子水合物的“原子照片”，并保證不對其產生擾動，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，可依靠極其微弱的高階靜電力掃描成像。江穎給記者展示了圖片：“這是國際上首次在實空間得到離子水合物的原子層次圖像，從圖中可以看到，不僅水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子取向的微小變化都可以直接識別。”

　　2.離子水合物的幻數效應有什么用

　　江穎介紹，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，通過非彈性電子激發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。

　　結合第一性原理計算和經典分子動力學模擬，他們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。具體來說，包含1、2、4、5個水分子的離子水合物總能通過調整找到與氯化鈉襯底的四方對稱性晶格匹配的結構，因此與襯底束縛很緊，不容易運動；而含有3個水分子的離子水合物，卻很難與之匹配，因此會在表面形成很多亞穩態結構，再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉，使得離子水合物的擴散勢壘大大降低，遷移率顯著提高。

　　江穎說：“我們可能都給孩子玩過按照空洞填積木的游戲，這個實驗有點類似。氯化鈉襯底就是預留好不同幾何形狀空洞的底板，而離子水合物就是這些積木，它周圍結合的水分子數目決定了積木的幾何形狀。我們發現，包含1、2、4、5個水分子的水合物總能在底板上找到對應的空洞穩定下來，但含有3個水分子的離子水合物卻沒有合適的地方，只能浮在表面不停運動。”

　　有評論認為，這一發現會在很多領域得到應用，“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”。

　　江穎舉了幾個例子。比如生物離子通道的研究，“我們知道，人類的嗅覺、味覺、觸覺等是靠生物離子通道來實現的。離子在這些通道中的輸運速度非常高，而且在離子的篩選上有很強的特定性，從來不會亂套。過去我們認為這種高速度和特定性主要是由離子通道的大小決定的，但我們的研究結果對這個認知提出了挑戰。生物離子通道的內壁結構有很多微觀細節，或許是因為細節的不同，導致了不同的幻數效應，才出現了離子輸運的選擇性和高效性。”再比如離子電池的研究，“我們可以通過對電極材料表面的調控和裁剪，提高離子的傳輸速度，實現縮短充電時間、提升電池功率等目標。”

　　王恩哥表示，這一研究是理論與實驗相結合的范例，是科學家們在一個方向上持續不斷研究的結果，“我們將在這個方向上持續努力下去，也希望其他學者參與進來，讓我們對水、對水合物體系有更深入的了解”。