在日常生活中，舀一勺鹽，倒進(jìn)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(shù)大科學(xué)家。

　　人們已經(jīng)知道，水能溶解很多東西，并與其形成團(tuán)簇，但這種離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點(diǎn)。直到5月14日出版的英國《自然》雜志刊發(fā)了一篇北京大學(xué)江穎、徐莉梅、高毅勤課題組與中國科學(xué)院/北京大學(xué)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(shí)發(fā)現(xiàn)了一種水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。

　　自然溫柔物 科學(xué)硬骨頭

　　“水可以說是soft in nature，hard in science。水看起來很簡單，元素構(gòu)成也很簡單，但在科學(xué)上卻是個大難題�！敝锌圃涸菏俊⒈本┐髮W(xué)講席教授、中國科學(xué)院大學(xué)卡維里研究所名譽(yù)所長王恩哥坦言，“實(shí)際上，科學(xué)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(zhì)，水為何會如此神秘?原來，這與它的元素組成有關(guān)。

　　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(jì)算方法是失效的，必須要把原子核和電子的量子效應(yīng)都算進(jìn)去，這也就是全量子化。而全量子化效應(yīng)對于理解水的微觀結(jié)構(gòu)和反常特性至關(guān)重要。

　　同時(shí)，水與其他物質(zhì)的相互作用也是非常復(fù)雜的過程。水把其他物質(zhì)溶解，形成離子水合，這在在眾多物理、化學(xué)、生物過程中扮演著重要的角色，比如：鹽的溶解、電化學(xué)反應(yīng)、生命體內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。

　　科學(xué)家對離子水合的研究從19世紀(jì)末就開始了，但至今許多問題仍無定論�！熬科湓�因，關(guān)鍵在于缺乏直接觀測的實(shí)驗(yàn)手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法�！� 北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎說。

　　“看見”鹽水

　　近年來，王恩哥、江穎等人合作，發(fā)展了原子水平上的高分辨掃描探針技術(shù)和針對輕元素體系的全量子化計(jì)算方法，首次在實(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　雖然只要把鹽倒進(jìn)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。

　　為了解決這一難題，研究人員經(jīng)過不斷嘗試和摸索，發(fā)展了一套基于掃描隧道顯微鏡的獨(dú)特離子操控技術(shù)，能夠?qū)⒎浅＜怃J的金屬針尖當(dāng)做原子、分子世界的“機(jī)械手”，可控地制備單個離子水合物。

　　隨后，研究人員發(fā)展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)，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(shù)應(yīng)用到離子水合物體系，最終在國際上首次在實(shí)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(shí)’。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(shù)字3

　　為了進(jìn)一步研究離子水合物的動力學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，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(yùn)輸情況。

　　這時(shí)候，一種奇特的現(xiàn)象出現(xiàn)了�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，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�！苯�穎告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，這種包含有特定數(shù)目水分子的鈉離子水合物具有異常高擴(kuò)散能力的現(xiàn)象，也即：“幻數(shù)效應(yīng)”。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，這種幻數(shù)效應(yīng)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(nèi)存在(包括室溫)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)這種動力學(xué)幻數(shù)效應(yīng)具有一定的普適性，適用于相當(dāng)一部分鹽離子體系。

　　“水溶液中的離子輸運(yùn)研究長期以來都是基于連續(xù)介質(zhì)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(xì)節(jié)。該工作首次建立了離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，刷新了人們對于受限體系中離子輸運(yùn)的傳統(tǒng)認(rèn)識�！蓖醵鞲绫硎�。

　　實(shí)際上，倘若這一基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)能被材料和技術(shù)領(lǐng)域的專家加以利用，這項(xiàng)聽上去非�！翱苹谩钡某晒�，還可能對人類的實(shí)際生活產(chǎn)生重大影響。

　　比如在海水淡化中，人們可以去設(shè)計(jì)具有特定表面對稱性和周期性的納米孔道，借助幻數(shù)效應(yīng)來促進(jìn)離子的擴(kuò)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(xué)反應(yīng)、生物離子通道等領(lǐng)域，這一發(fā)現(xiàn)都有著重要潛在應(yīng)用價(jià)值。也因?yàn)槿绱�，《自然》雜志審稿人認(rèn)為，該工作“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運(yùn)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(yīng)用表面科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣”。

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