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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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【文匯報(bào)】百年“離子水合物”之謎一朝揭開(kāi)

英國(guó)《自然》發(fā)表我國(guó)科學(xué)家研究成果，將為離子電池等領(lǐng)域帶來(lái)潛在影響

2018-05-15 文匯報(bào) 郭超豪

【字體：大中小】

語(yǔ)音播報(bào)

　　北京時(shí)間5月14日23時(shí)，英國(guó)《自然》發(fā)表中國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)重磅研究成果。北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎課題組、徐莉梅課題組，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤課題組與中國(guó)科學(xué)院/北京大學(xué)王恩哥課題組合作，在國(guó)際上首次得到水合鈉離子原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)了一種水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。

　　“水與其他物質(zhì)的相互作用是非常復(fù)雜的過(guò)程。由于水是強(qiáng)極性分子，它作為溶劑能使很多鹽發(fā)生溶解，并且與溶解的離子結(jié)合在一起形成團(tuán)簇，此過(guò)程稱(chēng)為離子水合，形成的離子水合團(tuán)簇稱(chēng)為離子水合物?！北本┐髮W(xué)量子材料科學(xué)中心江穎教授告訴記者，離子水合幾乎無(wú)處不在，比如鹽的溶解、電化學(xué)反應(yīng)、生命體內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。

　　離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。早在19世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合的存在并開(kāi)始系統(tǒng)研究，最早的實(shí)驗(yàn)研究可以追溯到1900年德國(guó)著名物理化學(xué)家內(nèi)斯特的遷移實(shí)驗(yàn)。

　　但是，100多年來(lái)，離子的水合殼層數(shù)、各個(gè)水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對(duì)水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運(yùn)性質(zhì)的微觀因素等諸多問(wèn)題，至今仍無(wú)定論?！瓣P(guān)鍵在于缺乏單原子、單分子尺度的表征和調(diào)控手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法。”江穎說(shuō)。

　　為了解決這一難題，研究人員經(jīng)過(guò)不斷嘗試和摸索，基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，得以可控地制備單個(gè)離子水合物，并且發(fā)展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)，可以依靠極其微弱的高階靜電力來(lái)掃描成像。

　　他們將此技術(shù)應(yīng)用到離子水合物體系，首次獲得了原子級(jí)分辨成像，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構(gòu)型。從圖中可以看到，不僅是水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子取向的微小變化都可以直接識(shí)別。這也是水合離子概念提出一百多年來(lái)，首次在實(shí)驗(yàn)中直接“看到”水合離子的原子級(jí)圖像。

　　同時(shí)，研究人員通過(guò)非彈性電子激發(fā)控制單個(gè)水合離子在氯化鈉表面上的定向輸運(yùn)，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)：包含有三個(gè)水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他水合物要高一至兩個(gè)量級(jí)，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率。

　　具體來(lái)說(shuō)，包含一、二、四、五個(gè)水分子的離子水合物總能通過(guò)調(diào)整找到與氯化鈉襯底的四方對(duì)稱(chēng)性晶格匹配的結(jié)構(gòu)，因此與襯底束縛很緊，不容易運(yùn)動(dòng)；而含有三個(gè)水分子的離子水合物，卻很難與四方對(duì)稱(chēng)性的氯化鈉襯底匹配，因此會(huì)在表面形成很多亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉(zhuǎn)，使得離子水合物的擴(kuò)散勢(shì)壘大大降低，遷移率顯著提高。

　?。ㄔd于《文匯報(bào)》 2018-05-15 08版）

　　我國(guó)研究人員首次獲得了水合離子的原子級(jí)分辨成像，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構(gòu)型。這也是水合離子概念提出一百多年來(lái)，首次在實(shí)驗(yàn)中直接“看到”水合離子的原子級(jí)圖像。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種有趣的水合離子輸運(yùn)幻數(shù)效應(yīng)：包含有三個(gè)水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他水合物要高一至兩個(gè)量級(jí)，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率
　　北京時(shí)間5月14日23時(shí)，英國(guó)《自然》發(fā)表中國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)重磅研究成果。北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎課題組、徐莉梅課題組，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤課題組與中國(guó)科學(xué)院/北京大學(xué)王恩哥課題組合作，在國(guó)際上首次得到水合鈉離子原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)了一種水合離子輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。
　　“水與其他物質(zhì)的相互作用是非常復(fù)雜的過(guò)程。由于水是強(qiáng)極性分子，它作為溶劑能使很多鹽發(fā)生溶解，并且與溶解的離子結(jié)合在一起形成團(tuán)簇，此過(guò)程稱(chēng)為離子水合，形成的離子水合團(tuán)簇稱(chēng)為離子水合物。”北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎教授告訴記者，離子水合幾乎無(wú)處不在，比如鹽的溶解、電化學(xué)反應(yīng)、生命體內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。
　　離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。早在19世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合的存在并開(kāi)始系統(tǒng)研究，最早的實(shí)驗(yàn)研究可以追溯到1900年德國(guó)著名物理化學(xué)家內(nèi)斯特的遷移實(shí)驗(yàn)。
　　但是，100多年來(lái)，離子的水合殼層數(shù)、各個(gè)水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對(duì)水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運(yùn)性質(zhì)的微觀因素等諸多問(wèn)題，至今仍無(wú)定論。“關(guān)鍵在于缺乏單原子、單分子尺度的表征和調(diào)控手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法?！苯f說(shuō)。
　　為了解決這一難題，研究人員經(jīng)過(guò)不斷嘗試和摸索，基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，得以可控地制備單個(gè)離子水合物，并且發(fā)展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)，可以依靠極其微弱的高階靜電力來(lái)掃描成像。
　　他們將此技術(shù)應(yīng)用到離子水合物體系，首次獲得了原子級(jí)分辨成像，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構(gòu)型。從圖中可以看到，不僅是水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子取向的微小變化都可以直接識(shí)別。這也是水合離子概念提出一百多年來(lái)，首次在實(shí)驗(yàn)中直接“看到”水合離子的原子級(jí)圖像。
　　同時(shí)，研究人員通過(guò)非彈性電子激發(fā)控制單個(gè)水合離子在氯化鈉表面上的定向輸運(yùn)，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)：包含有三個(gè)水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他水合物要高一至兩個(gè)量級(jí)，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率。
　　具體來(lái)說(shuō)，包含一、二、四、五個(gè)水分子的離子水合物總能通過(guò)調(diào)整找到與氯化鈉襯底的四方對(duì)稱(chēng)性晶格匹配的結(jié)構(gòu)，因此與襯底束縛很緊，不容易運(yùn)動(dòng)；而含有三個(gè)水分子的離子水合物，卻很難與四方對(duì)稱(chēng)性的氯化鈉襯底匹配，因此會(huì)在表面形成很多亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉(zhuǎn)，使得離子水合物的擴(kuò)散勢(shì)壘大大降低，遷移率顯著提高。
　?。ㄔd于《文匯報(bào)》 2018-05-15 08版）

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