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          中科院新聞發布:人類首次“看到”水合離子微觀結構

          發表日期:2018-05-21 14:16文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

                 據中青在線北京2018年5月14日訊 繼2014年獲得世界第一張亞分子級分辨率的水分子圖像后,中國科學家再次取得突破,將分辨率推向了氫原子極限,首次“看到”水合離子的原子級分辨圖像——這是水合離子概念提出100多年來,人類第一次在實空間直接“看到”水合離子的原子級圖像。
            今天上午,中國科學院科學傳播局在北京舉行新聞發布會宣布了這項成果。該工作由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中國科學院/北京大學王恩哥課題組合作完成,相關成果已于今天在國際著名學術期刊《自然》(Nature)雜志發表。
            《科學》(Science)雜志在創刊125周年之際,曾公布本世紀125個最具挑戰性的科學問題,其中就包括:水的結構如何。2015年,《德國應用化學》也將水的相關問題列入未來24個關鍵化學問題。
            水與其他物質的相互作用同樣非常復雜。北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎說,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——這種過程可以說是無處不在,而且在眾多物理、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。
            事實上,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。早在19世紀末,人們就意識到離子水合的存在并開始了系統的研究,然而,盡管經過了100多年的努力,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等諸多問題,至今仍沒有定論。
            究其原因,關鍵在于缺乏單原子、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。近年來,中國科學院院士王恩哥、北京大學教授江穎與同事、學生一起合作,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,在水/冰的結構和動力學研究中得到了成功的應用,通過實驗和理論的深度融合,刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認知。
            今天,王恩哥表示,經過中國科學家20多年的持續投入、4個課題組的緊密合作,終于在實驗上制備出單個離子水合物團簇,并通過高分辨成像搞清楚了其幾何吸附構型。在此基礎上,研究人員還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——說白了就是比其他水合物“跑得快”。
            江穎說,這項工作對相關應用領域具有重要的潛在意義,比如離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化等。此外,該工作發展的實驗技術也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次,未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系,開辟全新的研究領域。
            這項研究得到了《自然》雜志3個不同領域審稿人的好評,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”。

           

          5月14日,在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上,北京大學物理學院教授江穎(左)和中科院院士、北京大學講席教授王恩哥在回答記者提問。(新華社記者 金立旺 攝)

          5月14日,在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上,北京大學物理學院教授江穎(左)和中科院院士、北京大學講席教授王恩哥在回答記者提問。(新華社記者 金立旺 攝)

          5月14日,在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上,北京大學物理學院教授江穎(左)和中科院院士、北京大學講席教授王恩哥在回答記者提問。(新華社記者 金立旺 攝)

          5月14日,在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上,北京大學物理學院教授江穎在介紹研究成果。(新華社記者 金立旺 攝)

          5月14日,在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上,中科院院士、北京大學講席教授王恩哥在介紹研究成果。(新華社記者 金立旺 攝)

           
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