水合离子神秘特性被发现或催生新型离子电池

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人民网北京5月14日电(赵)近日，中国科学家率先在世界范围内首次获得了水合钠离子的原子级分辨率图像，并发现了水合离子输运的幻数效应。这项研究为离子电池、海水淡化、生物离子通道等热点课题的研究打开了一扇崭新的大门。

这项研究结果发表在5月14日的国际顶级学术期刊《自然》上。研究结果由北京大学化学与分子工程学院的、许、高和中国科学院/北京大学的王恩格完成。

揭开水分子最神秘的面纱

水是自然界中最丰富、最熟悉、最难理解的物质。为什么水如此神秘？"这与其成分有关."中国科学院院士、该文作者之一王恩格告诉记者，由于水分子中的氢原子是元素周期表中最轻的原子，不可能直接用简单的经典粒子模型来研究它，但它需要“完全量子化”，即它的原子核和电子必须视为量子，这就大大增加了研究的难度。

"水和其他物质之间的相互作用也是一个非常复杂的过程."北京大学物理学院量子材料科学中心的蒋英教授说，离子的水合过程是最常见的。当盐溶解在水中时，溶解后形成的离子在水中不是游离的，而是与水分子结合形成一个“簇”，称为离子水合物。离子水合作用可以说是无处不在，在许多物理、化学和生物过程中起着重要的作用，如盐的溶解、电化学反应、生命中的离子转移、空气污染、脱盐、腐蚀等

离子水合物有什么样的微观结构？它是如何移动的？这些问题一直是学术界争论的焦点。众所周知，早在19世纪末，人们就意识到了离子水合作用的存在，并开始了系统的研究。然而，经过100多年的努力，许多问题，如离子的水合壳层的数目，每个水合层中水分子的数目和构型，水合离子对水的氢键结构的影响，以及决定水合离子输运性质的微观因素，还没有得到解决。

清晰的雾，首次清晰的离子水合物图像

近年来，王恩格和蒋英与同事和学生合作，发展了原子级高分辨率扫描探针技术和轻元素体系的全量子计算方法，为研究积累了丰富的实验和理论基础。

为了在原子尺度上以高分辨率成像水合离子，有必要首先“分离”单个水合离子。

这是一件相当困难的事情。为了解决这个问题，研究人员开发了一种独特的基于扫描隧道显微镜的离子操纵技术，并制备了一种单离子水合物——在氯化钠薄膜表面移动，具有非常尖锐的金属尖端，吸收单个钠离子，然后“拖动”水分子与它结合。因此，获得了包含不同数量水分子的单一“水合钠离子”。

在制备了单个离子水合物簇之后，第二个挑战是通过高分辨率成像找出其几何吸附构型。

为了解决这一问题，研究人员开发了一种基于一氧化碳针尖修饰的非侵入式原子力显微镜成像技术，该技术可以利用非常弱的高阶静电力进行扫描和成像。他们将该技术应用于离子水合物系统，首次获得了原子级分辨率成像，并成功确定了其原子吸附构型。

这是世界上第一次在真实空.之间获得离子水合物的原子级图像此外，该图像非常清晰:不仅可以准确确定水分子和离子的吸附位置，还可以直接识别水分子方向的微小变化。可以说，空之间的分辨率几乎达到了原子的极限。

发现奇妙的动态“幻数效应”

在获得了离子水合物的显微图像后，研究人员进一步研究了它的动态输运性质，发现了一个有趣的效应:当氯化钠晶体表面运动时，含有一定数量水分子的钠离子水合物似乎患有“注意力缺陷多动症”(ADHD)——它具有异常高的扩散能力，其运动速度比其他水合物高10-100倍。研究人员称这种特征为动力学的“幻数效应”。

为什么会有这么奇怪的现象？通过模拟计算，研究人员发现这种幻数效应来自于离子水合物与表面晶格的对称匹配度。简单地说，含有1、2、4和5个水分子的钠水合物很容易“粘”在氯化钠晶体的表面，而含有3个水分子的离子水合物很难“粘”住，因为它的对称性与基质不匹配，所以它会在其表面快速“滑动”。

这项工作首次建立了离子水合物微观结构与输运性质之间的直接关系，刷新了人们对受限系统中离子输运的传统认识。

水合离子变得可控，它们能给我们带来什么？

据了解，这项研究工作得到了自然三个不同领域的评论家的赞扬和赞赏。他们认为，这项工作“将立即引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”，并“提供了一种新的方法来控制水合离子在纳米尺度上在表面上的传输，并可扩展到其他水合系统。”

王恩格院士介绍:“研究结果表明，通过改变物质表面的对称性和周期性，我们可以选择性地增强或减弱某些离子的输运能力。这对于许多相关的应用领域具有重要的潜在意义。”

例如，可以开发一种新型的离子电池。蒋英告诉记者，我们现在使用的锂离子电池电解液一般都是由高分子聚合物组成的，基于这一最新研究，有可能开发出一种基于水合锂离子的新型电池。“这种电池将大大提高离子传输速率，从而缩短充电时间，增加电池功率，更环保，成本也将大大降低。”

此外，这一成果也为防腐、电化学反应、海水淡化和生物离子通道等前沿领域的研究开辟了新的途径。同时，本工作开发的高精度实验技术有望在未来应用于越来越广泛的水合物体系。

来源：搜狐微门户