科技日报 金凤
“水是世界上最常见、也是非常复杂的物质。最近，咱们在测验人工控制结冰，在世界上初次从原子层次上观察到冰是怎么构成的，发现在二维极限下冰的结构与石墨烯很类似……”前不久，在第二届世界顶尖科学家青年论坛上，北京大学物理学院量子资料科学中心教授江颖描绘的水世界吸粉许多。话音刚落，参会的多位诺奖得主纷繁上前沟通，水之于人类，还有哪些未解之谜？
水合离子输运幻数效应的效果图。经济日报发
从原子标准“窥探”水的结构以及水合离子的结构，捕捉水分子与离子怎么“相爱相杀”，曾困扰人类百余年。近5年来，江颖团队相继取得世界首张亚分子级分辩的水分子图画、世界首张水合钠离子的原子级分辩图画，并发现了水合离子是怎么运动的。这关于改进锂离子电池、进步海水淡化功率、管理雾霾等，都能起到必定的促进效果。
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朋友，它时间相伴左右，咱们却一直看不清它的容颜。
水的低沉、深重，源于它奥秘的“内在”。北京大学物理学院量子资料科学中心教授江颖承受科技日报记者正常采访时介绍，水与其他物质的相互效果非常复杂。例如，水作为溶剂能使许多盐溶解，盐里的钠离子、钾离子会被水分子一个个拽出来，被水分子围住，离子和水分子就构成了一个个的水合离子。“可是，这些离子周围包裹了几层水分子，这些水分子的数目和结构是怎样的，它们在离子周围是怎么散布的，又是怎么运动的，水合离子对水的氢键结构有什么影响，困扰了国内外科学家100多年。”
要看清楚水合离子的结构和运动规则，面对的巨大应战之一，便是怎么在试验上取得单个离子水合物。
北京大学物理学院量子资料科学中心教授江颖在做试验。经济日报记者沈慧 摄
江颖团队开展了一套共同的离子控制技能，他们首先将直径约20微米、适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外表移动，抓取单个钠离子，再用带有钠离子的针尖扫描水分子，构成含有一个水分子的钠离子水合物，然后拖动其他水分子与钠离子水合物结合，便得到含有不同水分子数目的钠离子水合物。
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。试验制备出单个水合离子后，便需求经过高分辩成像看清楚水合离子的结构。
一个偶尔的时机，江颖受“qPlus原子力显微镜技能”的启示，揣摩上了音叉。“上音乐课的时分，教师会拿着音叉让咱们辨音，音叉质量，叉臂长短、粗细的差异，会导致它们宣布不同的声响。假如把音叉的一个叉臂连上针尖，用针尖和水合离子发作效果，就会发生振荡频率的改变，而振荡频率的改变就反映了力的巨细。经过力在空间中的细小改变就可确认水分子和离子的准确方位。”
说干就干。为了进步音叉质量因子和共振频率，江颖团队将音叉的结构做成不对称的形状，一个叉壁厚，一个叉壁薄，以进步信噪比，下降力的耗散。终究，探针能够探测到皮牛级的力，灵敏度和分辩率均处于世界领先水平，依托极端弱小的高阶静电力，能够清楚区分出单个水中带正电的氢原子和带负电的氧原子。
图片由本文作者供给
2018年，江颖团队成功确认了水合离子的原子吸附构型，不只水分子和离子的吸附方位能够准确确认，就连水分子的细小改变都可直接辨认。这是人们初次在实空间得到离子水合物的原子层次图画。
而随后对水合离子输运规则的研讨发现，包括有特定数目水分子的钠离子水合物，在氯化钠晶体外表运动时，好像患上了“多动症”，运动速度比其他水合物要高10—100倍。
具体来说，包括1、2、4、5个水分子的钠离子水合物简单被氯化钠晶体外表“捕捉”，而含有3个水分子的离子水合物，却很难与四方对称性的氯化钠衬底匹配，所以在晶格外表“蹦蹦跳跳”。“这种幻数效应有必定的普适性，适用于适当一部分盐离子系统。”江颖说。
有利于锂电池研制
海水淡化、雾霾管理
图片来自：视觉我国
水合离子变得可观可控，正在给咱们咱们带来惊喜。江颖表明，现在，他们正在和合作者测验研制一种“水系锂离子电池”，经过分配锂离子和水份额，构成一种安稳的离子水合结构，生成新的电解液，进步电池的安全性，防止电池爆破。“现在的难点在于，电池的电压不能太高，例如一般的水系离子电池施加1.23伏以上的电压，水就会分化，导致电池失效。”
不过近来，江颖团队与北京大学深圳研讨生院研讨团队发现，当电池电解液内锂离子和水的份额到达1∶2时，会构成一种特别的链状结构，施加2伏以上的电压，水也不会分化。“并且这种结构在金属和石墨的外表都能构成，这为更安全的新式电解液的研制供给了新的思路。”
海水淡化也有必定的或许愈加高效。“海水淡化，主要是将海水中的盐离子去掉，变成淡水。假如知道离子周围的水是怎么与其结合的，就能够想办法让他们别离，还能够测验使用幻数效应，规划一些特别结构的孔道，让离子快速跑掉，让水留下来。”江颖泄漏，现在，他们正在研讨氧化石墨烯外表怎么亲水、脱水，测验用这种资料来过滤海水。
初冬降临，一呼一吸间，雾霾颗粒或许进入人体。在江颖看来，不同性质的雾霾颗粒及其外表结构，决议了包裹其的水层和水分子的结构不同，这都将影响雾霾颗粒的成长和集合，以及雨和雪的构成，而假如能发现水合离子的结构和构成规则，就能够反其道而行之，破坏掉这些结构，按捺雾霾的构成。
来历：科技日报
修改：陈小柒
审阅：管晶晶
