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我科学家揭开百年谜题 首次看见水合离子原子结构

2018-05-16

我科学家揭开百年谜题 首次看见水合离子原子结构

2018-05-14 23:17来源:经济日报

原标题:我科学家揭开百年谜题 首次看见水合离子原子结构

记者从中国科学院获悉:近日,北京大学量子材料科学中心江颖课题组、徐莉梅课题组、北京大学化学与分子工程学院高毅勤课题组与中国科学院/北京大学王恩哥课题组合作,继2014年获得世界首张亚分子级分辨的水分子图像后,再次取得突破,首次得到了水合离子的原子级分辨图像,并发现了一种水合离子输运的幻数效应。该成果于5月14日发表在国际顶级学术期刊《自然》上。

水是自然界中最丰富、人们最为熟悉同时也是最不了解的一种物质,水与其他物质的相互作用非常复杂。由于水是强极性分子,作为溶剂它能使很多盐发生溶解,并与溶解后的离子结合在一起形成离子水合团簇,即水合离子。水合离子的微观结构和输运机制一直是学术界争论的焦点。

解开这一困扰科学家们近百年的谜题,首先须在实验上获得单个水合离子(把盐倒入水中即可),但因为这些水合离子相互聚集、相互影响,微观结构在不断变化,不利于高分辨成像,要得到适合拍“原子照”的水合离子是件非常困难的事。经过不断尝试和摸索,江颖课题组基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术用以制备单个水合离子,研发了基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术,可以依靠极其微弱的高阶静电力来扫描成像,并在此基础上首次获得了原子级分辨率的水合离子图像。“图中,不但可以精确确定水分子和离子的吸附位置,就连水分子取向的微小变化都可以直接识别。这是水合离子概念提出一百多年来,国际上首次在实空间‘看到’水合离子的原子层次图像。”北京大学物理学院教授江颖表示。

不仅如此,在研究中科学家们还发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水分子的水合离子在NaCl(氯化钠)表面上具有异常高的扩散能力,其迁移率比其他水合物要高1-2个量级。结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟,他们发现这种幻数效应来源于水合离子与表面晶格的对称性匹配程度。具体来说,包含1、2、4、5个水分子的水合离子总能通过调整找到与NaCl衬底的四方对称性晶格匹配的结构,因此与衬底束缚很紧,不容易运动;而含有3个水分子的水合离子,却很难与四方对称性的NaCl衬底匹配,因此会在表面形成很多亚稳态结构,再加上水分子很容易围绕钠离子集体旋转,这使得水合离子的扩散势垒大大降低,迁移率显著提高。分子动力学模拟结果表明,这一幻数效应可以在很大一个温度范围内存在(包括室温)。

科学家们表示,该项研究的结果对很多相关的应用领域都具有重要的潜在意义,比如离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等等。此外,该工作发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次,未来有望应用到更多更广泛的水合物体系,开辟全新的研究领域。

(见习编辑:于浩)返回搜狐,查看更多

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