百年“离子水合物”之谜一朝揭开!英国《自然》发表我国科学家研究成果2018-05-15来源 : 信息快讯网
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百年“离子水合物”之谜一朝揭开!英国《自然》发表我国科学家研究成果-信息快讯网

北京时间昨天23时,英国《自然》发表中国科学家的一项重磅研究成果。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,在国际上首次得到水合钠离子原子级分辨图像,并发现了一种水合离子输运的幻数效应。

“水与其他物质的相互作用是非常复杂的过程。由于水是强极性分子,它作为溶剂能使很多盐发生溶解,并且与溶解的离子结合在一起形成团簇,此过程称为离子水合,形成的离子水合团簇称为离子水合物。”北京大学量子材料科学中心江颖教授告诉记者,离子水合几乎无处不在,比如盐的溶解、电化学反应、生命体内的离子转移、大气污染、海水淡化、腐蚀等。

离子水合物的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末,人们就意识到离子水合的存在并开始系统研究,最早的实验研究可以追溯到1900年德国著名物理化学家内斯特的迁移实验。

但是,100多年来,离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题,至今仍无定论。“关键在于缺乏单原子、单分子尺度的表征和调控手段,以及精准可靠的计算模拟方法。”江颖说。

为了解决这一难题,研究人员经过不断尝试和摸索,基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术,得以可控地制备单个离子水合物,并且发展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。

他们将此技术应用到离子水合物体系,首次获得了原子级分辨成像,并结合第一性原理计算和原子力图像模拟,成功确定了其原子吸附构型。从图中可以看到,不仅是水分子和离子的吸附位置可以精确确定,就连水分子取向的微小变化都可以直接识别。这也是水合离子概念提出一百多年来,首次在实验中直接“看到”水合离子的原子级图像。

同时,研究人员通过非弹性电子激发控制单个水合离子在氯化钠表面上的定向输运,发现了一种有趣的幻数效应:包含有三个水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力,迁移率比其他水合物要高一至两个量级,甚至远高于体相离子的迁移率。

具体来说,包含一、二、四、五个水分子的离子水合物总能通过调整找到与氯化钠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;而含有三个水分子的离子水合物,却很难与四方对称性的氯化钠衬底匹配,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,使得离子水合物的扩散势垒大大降低,迁移率显著提高。

作者:郭超豪
编辑:朱颖婕
责任编辑:许琦敏

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