“現(xiàn)在我們用的鋰離子電池，它的充電和放電主要由鋰離子在兩個(gè)電極之間來(lái)回傳輸實(shí)現(xiàn)。如果我們對(duì)電極材料進(jìn)行精確的界面調(diào)控，利用溶劑化離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)，則可以提高離子的傳輸速率，從而縮短充電時(shí)間和增大電池功率?！北本┐髮W(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎日前向公眾展望了最新研究成果水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)在未來(lái)的應(yīng)用前景。近日，該科研團(tuán)隊(duì)繼2014年獲得世界首張亞分子級(jí)分辨的水分子圖像后，在國(guó)際上首次得到水合鈉離子的原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)了一種水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。該成果于5月14日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

圖為鈉離子水合物的亞分子級(jí)分辨成像。從左至右，依次為五種離子水合物的原子結(jié)構(gòu)圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。

水是自然界中最豐富、人們最為熟悉但也最不了解的物質(zhì)之一。在《科學(xué)》雜志創(chuàng)刊125周年之際，水的結(jié)構(gòu)成為本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。其中，離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

科研人員解釋?zhuān)c其他物質(zhì)的相互作用非常復(fù)雜。由于水是強(qiáng)極性分子，它作為溶劑（Solvent）能使很多鹽發(fā)生溶解，并且能與溶解的離子結(jié)合在一起形成團(tuán)簇，此過(guò)程稱(chēng)為離子水合（ion hydration），形成的離子水合團(tuán)簇稱(chēng)為離子水合物（ion hydrate）。“離子水合可以說(shuō)是無(wú)處不在，在眾多物理、化學(xué)、生物過(guò)程中扮演著重要角色，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?！苯f說(shuō)。

離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)以及離子水合物的動(dòng)力學(xué)如此重要，在各國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)達(dá)百余年的努力后，離子的水合殼層數(shù)、各個(gè)水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對(duì)水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運(yùn)性質(zhì)的微觀因素等諸多問(wèn)題，至今仍沒(méi)有定論。尤其是對(duì)于界面和受限體系，由于表面的不均勻性和晶格的多樣性，水分子、離子和表面三者之間的相互作用使得這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜。“究其原因，關(guān)鍵在于缺乏單原子、單分子尺度的表征和調(diào)控手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法?！苯f解釋。

為攻破這些科學(xué)難題，近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院/北京大學(xué)王恩哥課題組、北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎課題組與同事和學(xué)生一起合作，發(fā)展了原子水平上的高分辨掃描探針技術(shù)和針對(duì)輕元素體系的全量子化計(jì)算方法，在水/冰的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究中得到成功應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論的深度融合，澄清了若干疑難科學(xué)問(wèn)題，刷新了人們對(duì)水和其他氫鍵體系的認(rèn)知。他們首次在實(shí)空間獲得了水分子的亞分子級(jí)分辨圖像（Nat. Mat. 13, 184 (2014)），揭示了水團(tuán)簇分子間結(jié)合的氫鍵取向及質(zhì)子的協(xié)同量子隧穿（Nat. Phys. 11, 235 (2015)，測(cè)得了單個(gè)氫鍵的強(qiáng)度及核量子效應(yīng)的影響（Science 352, 321 (2016)），研究了冰的形核與生長(zhǎng)機(jī)理以及冰表面的預(yù)融化過(guò)程（PNAS 109, 13177 (2012)）。這些工作為水合物的原子尺度研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

盡管有這些科研突破作為基礎(chǔ)，研究離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為也并非易事。據(jù)江穎介紹，首先面臨的巨大挑戰(zhàn)是如何在實(shí)驗(yàn)上獲得單個(gè)離子水合物？“雖然得到離子水合物非常容易（把鹽倒入水中即可），但是這些離子水合物相互聚集、相互影響，水合結(jié)構(gòu)也在不斷變化，不利于高分辨成像。要得到適合掃描探針顯微鏡研究的單個(gè)離子水合物是一件非常困難的事。”為了解決這一難題，研究人員基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，來(lái)可控的制備單個(gè)離子水合物。

實(shí)驗(yàn)制備出的單個(gè)離子水合物團(tuán)簇后，接下來(lái)需要通過(guò)高分辨成像弄清楚其幾何吸附構(gòu)型。由于離子水合物屬于弱鍵合體系，比水分子團(tuán)簇更加脆弱，因此針尖很容易擾動(dòng)離子水合物，從而無(wú)法得到穩(wěn)定的圖像。

為克服上述困難，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(lái)掃描成像。他們將此技術(shù)應(yīng)用到離子水合物體系，首次獲得了原子級(jí)分辨成像，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構(gòu)型。“從圖中可以看到，不僅是水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子取向的微小變化都可以直接識(shí)別。這也是水合離子的概念提出一百多年來(lái)，首次在實(shí)空間直接“看到”水合離子的原子級(jí)圖像?！苯f告訴記者。