2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展
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揭示水合離子的原子結(jié)構(gòu)和幻數(shù)效應(yīng)
離子與水分子結(jié)合形成水合離子是自然界最為常見和重要的現(xiàn)象之一，在很多物理、化學(xué)、生物過程中扮演著重要的角色。早在?19?世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合作用的存在并開始了系統(tǒng)的研究。100?多年來，水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，至今仍沒有定論。究其原因，關(guān)鍵在于缺乏原子尺度的實(shí)驗(yàn)表征手段以及精準(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)中心江穎、王恩哥和徐莉梅研究組與化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤研究組等合作，開發(fā)了一種基于高階靜電力的新型掃描探針技術(shù)，刷新了掃描探針顯微鏡空間分辨率的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了氫原子的直接成像和定位，在國際上首次獲得了單個(gè)鈉離子水合物的原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)特定數(shù)目的水分子可以將水合離子的遷移率提高幾個(gè)量級(jí)，這是一種全新的動(dòng)力學(xué)幻數(shù)效應(yīng)。結(jié)合第一性原理計(jì)算和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，他們發(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(duì)稱性匹配程度，而且在室溫條件下仍然存在，并具有一定的普適性。
該工作首次澄清了界面上離子水合物的原子構(gòu)型，并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)，顛覆了人們對(duì)于受限體系中離子輸運(yùn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。這對(duì)離子電池、防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等很多應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義。
Nature Reviews Chemistry?主編?David Schilter?發(fā)表評(píng)論文章認(rèn)為，這項(xiàng)研究獲得了“堪稱完美的水合離子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息”。
