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中国科学家首揭水合离子原子级分辨图像及幻数效应

时间:2019-03-15 00:56 浏览:

  央广网5月15日消息(记者朱敏)继2014年获得世界第一张亚级分辨率的水图像后,中国科学家再次取得突破,将分辨率推向了氢原子极限,首次“看到”水合离子的原子级分辨图像。这是水合离子的概念提出一百多年来,人类第一次在实空间直接“看到”水合离子的原子级图像,研究于时间14日晚上11点发表于国际著名学术期刊《自然》。

  水是自然界中最丰富、人们最为熟悉,同时也是最不了解的一种物质。水的结构很简单:H2O,而H是元素周期表中最轻的原子。一般而言,如果原子核较重,可以近似地把它处理为经典粒子,只需把电子量子化,从而对其进行研究——但这种方法套用在H这种“近似电子重量”的原子核身上失效了。

  近日,大学量子材料科学中心江颖课题组、徐莉梅课题组、大学化学与工程学院高毅勤课题组与中国科学院/大学王恩哥课题组合作,在国际上首次得到了水合钠离子的原子级分辨图像,并发现了一种水合离子输运的幻数效应。中国科学院院士王恩哥表示,“我们都知道水的结构,但直到这次我们才看清楚水中的氢原子在什么。氢原子是世界上最轻的原子,我们看到了自然界原子的极限。”

  早在19世纪末,人们就意识到离子水合的存在并开始了系统的研究,然而经过了一百多年的努力,与水合离子相关的诸多问题至今仍没有。

  近年来,王恩哥、江颖与同事、学生一起合作,发展了原子水平上的高分辨扫描探针技术和针对轻元素体系的全量子化计算方法。在此基础上,研究人员突破了若干技术瓶颈,国际上首次在实空间得到离子水合物的原子层次图像,并发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水的钠离子水合物,具有异常高的扩散能力。江颖表示,简单而言,三个水的水合物不管怎么变化,依然是一个三重对称的结构。但对于氯化钠表面而言,它只有两重和四重的两种可能性。三重对称的水合物既不能满足两重,也不能满足四重,只能在表面上形成各种各样的亚稳态,而且在表面上没有办法被局限住。

  这项工作对相关应用领域具有重要的潜在意义,比如离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等。江颖指出,海水淡化的主要目的是要把海水里的盐离子跟水分开,是用一些具有纳米尺寸的孔道来实现的。通过这个工作得到的一些结论来设计特定的对称性和周期性的材料,促进离子的扩散,使其过滤的效率大大提高。

  图为钠离子水合物的亚级分辨成像。实验制备出的单个离子水合物团簇后,接下来需要通过高分辨成像弄清楚其几何吸附构型。结合第一性原理计算和经典动力学模拟,科研人员发现这种幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度。

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