揭示水合離子的原子結構和幻數效應
離子與水分子結合形成水合離子是自然界最為常見和重要的現象之一，在很多物理、化學、生物過程中扮演著重要的角色。早在?19?世紀末，人們就意識到離子水合作用的存在并開始了系統的研究。100?多年來，水合離子的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點，至今仍沒有定論。究其原因，關鍵在于缺乏原子尺度的實驗表征手段以及精準可靠的計算模擬方法。
北京大學物理學院量子材料科學中心江穎、王恩哥和徐莉梅研究組與化學與分子工程學院高毅勤研究組等合作，開發了一種基于高階靜電力的新型掃描探針技術，刷新了掃描探針顯微鏡空間分辨率的世界紀錄，實現了氫原子的直接成像和定位，在國際上首次獲得了單個鈉離子水合物的原子級分辨圖像，并發現特定數目的水分子可以將水合離子的遷移率提高幾個量級，這是一種全新的動力學幻數效應。結合第一性原理計算和經典分子動力學模擬，他們發現這種幻數效應來源于離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度，而且在室溫條件下仍然存在，并具有一定的普適性。
該工作首次澄清了界面上離子水合物的原子構型，并建立了離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，顛覆了人們對于受限體系中離子輸運的傳統認識。這對離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化、生物離子通道等很多應用領域都具有重要的潛在意義。
Nature Reviews Chemistry?主編?David Schilter?發表評論文章認為，這項研究獲得了“堪稱完美的水合離子結構和動力學信息”。
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