中国多个科研团队合作，继2014年获得世界首幅亚分子级分辨率的水分子图像后，水科学领域近日再获重大突破，在国际上首次得到水合离子的原子级分辨率图像，并在此基础上发现一种水合离子输运的幻数效应。中国科学家这一重要科研成果，已于当地时间14日获国际权威学术期刊《自然》在线发表。
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。其中，离子水合物即水合离子的微观结构和动力学，100多年来一直是学术界争论的焦点。
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、中国科学院/北京大学王恩哥课题组就此展开合作，基于前期多年科研工作积累，通过攻克人工制备单个离子水合物、自主研发高精度显微镜探针等关键技术，最终在国际上首次得到离子水合物的原子层次图像。
北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖指出，这次得到水合离子原子级分辨率图像，也是国际上首次在水合离子中清晰看到最小的氢原子，并利用实验设备拍摄图像，拥有直接的实验证据。
他介绍说，这项工作主要有两大挑战：一是单个离子水合物的人工制备，科研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，来可控的制备单个离子水合物；二是离子水合物的原子级分辨率成像，科研人员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率成像，并成功确定其原子吸附构型。
获得水合离子的原子级分辨率图像后，科研人员还在研究离子水合物的动力学输运性质过程中，发现一种有趣的幻数效应——包含有特定数目水分子的离子水合物具有异常高的扩散能力，迁移率比其他数目水分子的离子水合物要高1-2个量级。进一步研究发现，这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度，具体来说，含有3个水分子的离子水合物，迁移率显著提高。
上述成果有何意义？江颖表示，这些成果首次建立离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联，可以通过改变表面晶格的对称性和周期性来控制受限环境或纳米流体中离子的输运，从而达到选择性增强或减弱某种离子输运能力的目的，这对离子电池、防腐蚀、海水淡化等很多相关应用领域都具有重要的潜在意义。他希望同材料科学家进行合作，推动这项基础研究成果尽快在业界得到应用。
与此同时，该成果发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向原子层次，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。
中国科学家完成水合离子重大成果的工作也得到《自然》不同领域审稿人的一致好评，认为该工作“会马上引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”“为在纳米尺度控制表面上的水合离子输运提供了新的途径并可以拓展到其他水合体系”。
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