記者從中國科學院獲悉：近日，北京大學量子材料科學中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學化學與分子工程學院高毅勤課題組與中國科學院/北京大學王恩哥課題組合作，繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像後，再次取得突破，首次得到了水合離子的原子級分辨圖像，並發現了一種水合離子輸運的幻數效應。該成果於5月14日發表在國際頂級學術期刊《自然》上。
水是自然界中最豐富、人們最為熟悉同時也是最不了解的一種物質，水與其他物質的相互作用非常複雜。由於水是強極性分子，作為溶劑它能使很多鹽發生溶解，並與溶解後的離子結合在一起形成離子水合團簇，即水合離子。水合離子的微觀結構和輸運機制一直是學術界爭論的焦點。
解開這一困擾科學家們近百年的謎題，首先須在實驗上獲得單個水合離子（把鹽倒入水中即可），但因為這些水合離子相互聚集、相互影響，微觀結構在不斷變化，不利於高分辨成像，要得到適合拍「原子照」的水合離子是件非常困難的事。經過不斷嘗試和摸索，江穎課題組基於掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術用以製備單個水合離子，研發了基於一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，可以依靠極其微弱的高階靜電力來掃描成像，並在此基礎上首次獲得了原子級解析度的水合離子圖像。「圖中，不但可以精確確定水分子和離子的吸附位置，就連水分子取向的微小變化都可以直接識別。這是水合離子概念提出一百多年來，國際上首次在實空間『看到』水合離子的原子層次圖像。」北京大學物理學院教授江穎表示。
不僅如此，在研究中科學家們還發現了一種有趣的幻數效應：包含有特定數目水分子的水合離子在NaCl（氯化鈉）表面上具有異常高的擴散能力，其遷移率比其他水合物要高1-2個量級。結合第一性原理計算和經典分子動力學模擬，他們發現這種幻數效應來源於水合離子與表面晶格的對稱性匹配程度。具體來說，包含1、2、4、5個水分子的水合離子總能通過調整找到與NaCl襯底的四方對稱性晶格匹配的結構，因此與襯底束縛很緊，不容易運動；而含有3個水分子的水合離子，卻很難與四方對稱性的NaCl襯底匹配，因此會在表面形成很多亞穩態結構，再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉，這使得水合離子的擴散勢壘大大降低，遷移率顯著提高。分子動力學模擬結果表明，這一幻數效應可以在很大一個溫度範圍內存在（包括室溫）。
科學家們表示，該項研究的結果對很多相關的應用領域都具有重要的潛在意義，比如離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化、生物離子通道等等。此外，該工作發展的實驗技術也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系，開闢全新的研究領域。
（見習編輯：於浩）