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中国科学院院士、中国科学院大学卡维里研究所名誉所长、北京大学讲师王恩格介绍了水合离子研究的最新进展。孙子发
北京，5月14日，星空中国——一位小编辑从中国科学院获悉，继2014年获得世界上第一张水分子亚分子分辨率图像后，水科学领域最近取得了重大突破。世界上首次获得了水合离子的原子分辨率图像，并在此基础上发现了水合离子输运的幻数效应。中国科学家的这一重要科研成果于当地时间14日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。
水是自然界中最丰富、最熟悉、最难理解的物质。其中，离子水合物(即水合离子)的微观结构和动力学是一百多年来学术界争论的焦点。北京大学化学与分子工程学院课题组、许课题组、高课题组、中国科学院/北京大学王恩格课题组在这方面进行了合作。在多年科研工作积累的基础上，克服人工制备单一离子水合物和自主研发高精度显微镜探针等关键技术，最终在世界上首次获得了离子水合物的原子级图像。
北京大学物理学院量子材料科学中心教授蒋英指出，这次获得的水合离子的原子分辨率图像，也是世界上第一次在水合离子中清晰地看到最小的氢原子，而且图像是用实验设备拍摄的，这有直接的实验证据。
他介绍说，这项工作有两大挑战:第一，单离子水合物的人工制备。经过不断的尝试和探索，研究人员已经开发出一套独特的基于扫描隧道显微镜的离子操纵技术，可控制地制备单一离子水合物；第二个是离子水合物的原子分辨率成像。研究人员已经开发出一种基于一氧化碳针尖修饰的无创原子力显微镜成像技术，它可以依靠极其微弱的高阶静电力来扫描成像。他们将这项技术应用于离子水合物系统，首次获得了原子分辨率成像，并成功地确定了其原子吸附构型。
在获得水合离子的原子分辨率图像后，研究人员还在研究离子水合物的动力学输运性质的过程中发现了一个有趣的幻数效应——含有特定数量水分子的离子水合物具有极高的扩散能力，其迁移率比含有其他数量水分子的离子水合物高1-2个数量级。进一步研究发现，这种幻数效应来自于离子水合物与表面晶格的对称匹配度。具体而言，含有3个水分子的离子水合物的迁移率显著提高。
北京大学物理学院量子材料科学中心教授蒋英就水合离子的最新研究成果接受媒体采访。孙子发
上述成就的意义是什么？蒋英表示，这些成果首次建立了离子水合物微观结构与输运性质之间的直接关联，并通过改变表面晶格的对称性和周期性来控制离子在受限环境或纳米流体中的输运，从而达到选择性增强或减弱某些离子输运能力的目的，对于离子电池、防腐蚀、海水淡化等诸多相关应用领域具有重要的潜在意义。他希望与材料科学家合作，尽快推动这一基础研究成果在工业中的应用。
同时，该成果开发的实验技术也首次将水化相互作用的研究精度推向原子水平，并有望在未来应用于越来越广泛的水合物体系，开辟一个全新的研究领域。
中国科学家在完成水合离子的主要成就方面的工作也受到了自然不同领域的评论者的好评，他们认为这项工作“将立即引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”，并且“提供了一种在纳米尺度上控制水合离子在表面上传输的新方法，并且可以扩展到其他水合系统”。(孙子发)
