科學家終於看清水分子中氫原子位置

2021-01-09 觀察者網

人們最熟悉的水，在科學界仍是最不被了解的物質之一。

5月14日，在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上，北京大學物理學院教授江穎在介紹研究成果。新華社記者 金立旺 攝

據《科技日報》報導，北京時間14日23點，《自然》刊登文章，介紹了我國科學家在世界上首次看到了離子水合物的原子級分辨圖像，及發現了一種水合離子輸運的幻數效應。

5月14日，在中科院物理研究所會議室舉行的發布會上，北京大學物理學院教授江穎（左）和中科院院士、北京大學講席教授王恩哥在回答記者提問。新華社記者 金立旺 攝

完成這一工作的是北京大學江穎課題組、徐莉梅課題組、高毅勤課題組，以及中科院/北京大學王恩哥課題組。

水與其他物質的相互作用十分複雜。水能使很多鹽溶解，而且能與溶解的離子結合形成團簇，這個過程稱為離子水合，形成的是離子水合物。江穎教授說，離子水合在眾多物理、化學、生物過程中都存在。

「100多年前，科學家就知道了水合離子的存在，但一直沒有直接的實驗證據，都是間接的。現在我們直接把這一過程拍了下來。」江穎說。

中國科學家利用自主研發的非接觸式原子力顯微鏡，在世界上首先看到了水合離子的結構，首次獲得了原子級分辨成像。王恩哥院士說，我們都知道水的結構，但直到這次我們才看清楚水分子中的氫原子在什麼位置。氫原子是世界上最輕的原子，我們看到了自然界的原子的極限。

在研究離子水合物的動力學輸運性質過程中，科學家還發現了一種有趣的「幻數效應」：在氯化鈉的表面，3個水分子與一個鈉離子結合形成了水合離子，其運動速度極快，也就是說包含有3個水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴散能力。

據介紹，這項研究首次建立了離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，刷新了人們對於離子輸運的傳統認識。這一認識對離子電池、防腐蝕、海水淡化、生物離子通道等具有重要的潛在意義。

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