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北京大學江穎團隊:從原子尺度看清水合離子真容
2019-12-25 11:04:42 來源: 科技日報
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  把“命門”掌握在自己手中

  金 鳳

  “水是世界上最常見、也是非常復雜的物質。最近,我們在嘗試人工控制結冰,在國際上首次從原子層次上觀察到冰是如何形成的,發現在二維極限下冰的結構與石墨烯很相似……”前不久,在第二屆世界頂尖科學家青年論壇上,北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎描繪的水世界吸粉無數。話音剛落,參會的多位諾獎得主紛紛上前交流,水之于人類,還有哪些未解之謎?

  從原子尺度“窺視”水的結構以及水合離子的結構,捕捉水分子與離子如何“相愛相殺”,曾困擾人類百余年。近5年來,江穎團隊相繼獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像、世界首張水合鈉離子的原子級分辨圖像,並發現了水合離子是如何運動的。這對于改良鋰離子電池、提高海水淡化效率、治理霧霾等,都能起到一定的促進作用。

  從一池鹽水中抓取到單個水合離子

  生命離不開水,但水之于生命就像一個隱形的朋友,它時刻相伴左右,我們卻始終看不清它的容顏。

  水的低調、深沉,源于它神秘的“內涵”。北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎接受科技日報記者採訪時介紹,水與其他物質的相互作用非常復雜。例如,水作為溶劑能使很多鹽溶解,鹽裏的鈉離子、鉀離子會被水分子一個個拽出來,被水分子包圍,離子和水分子就形成了一個個的水合離子。“但是,這些離子周圍包裹了幾層水分子,這些水分子的數目和結構是怎樣的,它們在離子周圍是如何分布的,又是如何運動的,水合離子對水的氫鍵結構有什麼影響,困擾了國內外科學家100多年。”

  要看清楚水合離子的結構和運動規律,面臨的巨大挑戰之一,就是如何在實驗上獲得單個離子水合物。

  江穎團隊發展了一套獨特的離子操控技術,他們首先將直徑約20微米、相當于頭發絲直徑一半的金屬絲“削尖”成單原子,用針尖在氯化鈉薄膜表面移動,抓取單個鈉離子,再用帶有鈉離子的針尖掃描水分子,形成含有一個水分子的鈉離子水合物,然後拖動其他水分子與鈉離子水合物結合,便得到含有不同水分子數目的鈉離子水合物。

  改良音叉做探針,看到“多動”的水合離子

  工欲善其事必先利其器。實驗制備出單個水合離子後,便需要通過高分辨成像看清楚水合離子的結構。

  一個偶然的機會,江穎受“qPlus原子力顯微鏡技術”的啟發,琢磨上了音叉。“上音樂課的時候,老師會拿著音叉讓大家辨音,音叉質量,叉臂長短、粗細的差異,會導致它們發出不同的聲音。如果把音叉的一個叉臂連上針尖,用針尖和水合離子發生作用,就會産生振動頻率的變化,而振動頻率的變化就反映了力的大小。通過力在空間中的微小變化就可確定水分子和離子的精確位置。”

  説幹就幹。為了提升音叉品質因子和共振頻率,江穎團隊將音叉的結構做成不對稱的形狀,一個叉壁厚,一個叉壁薄,以提高信噪比,降低力的耗散。最終,探針可以探測到皮牛級的力,靈敏度和分辨率均處于國際領先水平,依靠極其微弱的高階靜電力,可以清楚區分出單個水中帶正電的氫原子和帶負電的氧原子。

  2018年,江穎團隊成功確定了水合離子的原子吸附構型,不僅水分子和離子的吸附位置可以精確確定,就連水分子的微小變化都可直接識別。這是人們首次在實空間得到離子水合物的原子層次圖像。

  而隨後對水合離子輸運規律的研究發現,包含有特定數目水分子的鈉離子水合物,在氯化鈉晶體表面運動時,似乎患上了“多動症”,運動速度比其他水合物要高10—100倍。

  具體來説,包含1、2、4、5個水分子的鈉離子水合物容易被氯化鈉晶體表面“捕捉”,而含有3個水分子的離子水合物,卻很難與四方對稱性的氯化鈉襯底匹配,所以在晶格表面“蹦蹦跳跳”。“這種幻數效應有一定的普適性,適用于相當一部分鹽離子體係。”江穎説。

  有利于鋰電池研發、海水淡化、霧霾治理

  水合離子變得可觀可控,正在給我們帶來驚喜。江穎表示,目前,他們正在和合作者嘗試研發一種“水係鋰離子電池”,通過調配鋰離子和水比例,形成一種穩定的離子水合結構,生成新的電解液,提高電池的安全性,避免電池爆炸。“目前的難點在于,電池的電壓不能太高,例如通常的水係離子電池施加1.23伏以上的電壓,水就會分解,導致電池失效。”

  不過近日,江穎團隊與北京大學深圳研究生院研究團隊發現,當電池電解液內鋰離子和水的比例達到1:2時,會形成一種特殊的鏈狀結構,施加2伏以上的電壓,水也不會分解。“而且這種結構在金屬和石墨的表面都能形成,這為更安全的新型電解液的研發提供了新的思路。”

  海水淡化也有可能更加高效。“海水淡化,主要是將海水中的鹽離子去掉,變成淡水。如果知道離子周圍的水是如何與其結合的,就可以想辦法讓他們分離,還可以嘗試利用幻數效應,設計一些特殊結構的孔道,讓離子快速跑掉,讓水留下來。”江穎透露,目前,他們正在研究氧化石墨烯表面如何親水、脫水,嘗試用這種材料來過濾海水。

  初冬來臨,一呼一吸間,霧霾顆粒可能進入人體。在江穎看來,不同性質的霧霾顆粒及其表面結構,決定了包裹其的水層和水分子的結構不同,這都將影響霧霾顆粒的生長和聚集,以及雨和雪的形成,而如果能發現水合離子的結構和形成規律,就可以反其道而行之,破壞掉這些結構,抑制霧霾的形成。 

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【糾錯】 責任編輯: 王佳寧
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