金凤
“水是世界上最多见、也长短常复杂的物资。比来，我们在测验考试人工节制结冰，在国际上初次从原子条理上不雅察到冰是若何构成的，发此刻二维极限下冰的布局与石墨烯很类似……”前不久，在第二届世界顶尖科学家青年论坛上，北京年夜学物理学院量子材料科学中间传授江颖描画的水世界吸粉无数。话音刚落，参会的多位诺奖得主纷纭上前交换，水之于人类，还有哪些未解之谜？
从原子标准“窥视”水的布局和水合离子的布局，捕获水份子与离子若何“相爱相杀”，曾困扰人类百余年。近5年来，江颖团队接踵取得世界首张亚份子级分辩的水份子图象、世界首张水合钠离子的原子级分辩图象，并发现了水合离子是若何活动的。这对改进锂离子电池、进步海水淡化效力、治理雾霾等，都能起到必然的增进感化。
从一池盐水中抓取到单个水合离子
生命离不开水，但水之于生命就像一个隐形的伴侣，它时刻相伴摆布，我们却始终看不清它的容颜。
水的低调、深邃深挚，源于它神秘的“内在”。北京年夜学物理学院量子材料科学中间传授江颖接管科技日报记者采访时先容，水与其他物资的彼此感化很是复杂。例如，水作为溶剂能使良多盐消融，盐里的钠离子、钾离子会被水份子一个个拽出来，被水份子包抄，离子和水份子就构成了一个个的水合离子。“可是，这些离子四周包裹了几层水份子，这些水份子的数量和布局是如何的，它们在离子四周是若何散布的，又是若何活动的，水合离子对水的氢键布局有甚么影响，困扰了国表里科学家100多年。”
要看清晰水合离子的布局和活动纪律，面对的庞大挑战之一，就是若何在尝试上取得单个离子水合物。
江颖团队成长了一套怪异的离子操控手艺，他们起首将直径约20微米、相当于头发丝直径一半的金属丝“削尖”成单原子，用针尖在氯化钠薄膜概况移动，抓取单个钠离子，再用带有钠离子的针尖扫描水份子，构成含有一个水份子的钠离子水合物，然后拖动其他水份子与钠离子水合物连系，便获得含有分歧水份子数量的钠离子水合物。
改进音叉做探针，看到“多动”的水合离子
工欲善其事必先利其器。尝试制备出单个水合离子后，便需要经由过程高分辩成像看清晰水合离子的布局。
一个偶尔的机遇，江颖受“qPlus原子力显微镜手艺”的开导，揣摩上了音叉。“上音乐课的时辰，教员会拿着音叉让年夜家辨音，音叉质量，叉臂是非、粗细的差别，会致使它们发出分歧的声音。若是把音叉的一个叉臂连上针尖，用针尖和水合离子产生感化，就会发生振动频率的转变，而振动频率的转变就反应了力的年夜小。经由过程力在空间中的细小转变便可肯定水份子和离子的切确位置。”
说干就干。为了晋升音叉品质因子和共振频率，江颖团队将音叉的布局做成不合错误称的外形，一个叉壁厚，一个叉壁薄，以进步信噪比，下降力的耗散。终究，探针可以探测到皮牛级的力，活络度和分辩率均处于国际领先程度，依托极为微弱的高阶静电力，可以清晰辨别出单个水中带正电的氢原子和带负电的氧原子。
2018年，江颖团队成功肯定了水合离子的原子吸附构型，不但水份子和离子的吸附位置可以切确肯定，就连水份子的细小转变都可直接辨认。这是人们初次在实空间获得离子水合物的原子条理图象。
而随后对水合离子输运纪律的研究发现，包括有特定命目水份子的钠离子水合物，在氯化钠晶体概况活动时，仿佛得了“多动症”，活动速度比其他水合物要高10—100倍。
具体来讲，包括1、2、4、5个水份子的钠离子水合物轻易被氯化钠晶体概况“捕获”，而含有3个水份子的离子水合物，却很难与四方对称性的氯化钠衬底匹配，所以在晶格概况“蹦蹦跳跳”。“这类幻数效应有必然的普适性，合用于相当一部门盐离子系统。”江颖说。
有益于锂电池研发、海水淡化、雾霾治理
水合离子变得可不雅可控，正在给我们带来欣喜。江颖暗示，今朝，他们正在和合作者测验考试研发一种“水系锂离子电池”，经由过程调配锂离子和水比例，构成一种不变的离子水合布局，天生新的电解液，进步电池的平安性，避免电池爆炸。“今朝的难点在于，电池的电压不克不及太高，例如凡是的水系离子电池施加1.23伏以上的电压，水就会分化，致使电池掉效。”
不外近日，江颖团队与北京年夜学深圳研究生院研究团队发现，当电池电解液内锂离子和水的比例到达1∶2时，会构成一种特别的链状布局，施加2伏以上的电压，水也不会分化。“并且这类布局在金属和石墨的概况都能构成，这为更平安的新型电解液的研发供给了新的思绪。”
海水淡化也有可能加倍高效。“海水淡化，首要是将海水中的盐离子往失落，酿成淡水。若是知道离子四周的水是若何与其连系的，便可以想法子让他们分手，还可以测验考试操纵幻数效应，设计一些特别布局的孔道，让离子快速跑失落，让水留下来。”江颖流露，今朝，他们正在研究氧化石墨烯概况若何亲水、脱水，测验考试用这类材料来过滤海水。
初冬到临，一呼一吸间，雾霾颗粒可能进进人体。在江颖看来，分歧性质的雾霾颗粒及其概况布局，决议了包裹其的水层和水份子的布局分歧，这都将影响雾霾颗粒的发展和堆积，和雨和雪的构成，而若是能发现水合离子的布局和构成纪律，便可以反其道而行之，粉碎失落这些布局，按捺雾霾的构成。
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