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科学: 中国科学家首次获得水合钠离子原子级分辨图像(2)

2018-05-15 09:28 来源:环球时报

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离子水合物的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末,人们就意识到离子水合的存在并开始了系统的研究。虽然经过了100多年的努力,但离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题,至今仍没有定论。王恩哥说:“究其原因,关键在于缺乏单原子、单分子尺度的表征和调控手段,以及精准可靠的计算模拟方法。”

近年来,王恩哥、江颖等团队发展了原子水平上的高分辨扫描探针技术和针对轻元素体系的全量子化计算方法,在水/冰的结构和动力学研究中得到了成功应用,刷新了人们对水和其他氢键体系的认知,这些工作为水合物的原子尺度研究打下了坚实的基础。

如何获得单个离子水合物并得到稳定图像,是研究离子水合物的两大挑战

要研究离子水合物的微观结构和动力学行为,首先面临的巨大挑战是:如何在实验上获得单个离子水合物。

江颖说:“虽然得到离子水合物非常容易,比如把盐倒入水中即可,但是这些离子水合物相互聚集、相互影响,水合结构也在不断变化,不利于高分辨成像。所以,要得到适合扫描探针显微镜研究的单个离子水合物是一件非常困难的事。”

为了解决这一难题,研究人员发展了一套独特的离子操控技术,来可控地制备单个离子水合物。

实验制备出单个离子水合物后,接下来需要通过高分辨成像弄清楚其几何吸附构型。然而,对离子水合物进行高分辨成像也面临着巨大的挑战。江颖说:“由于离子水合物属于弱键合体系,比水分子团簇更加脆弱,因此针尖很容易扰动离子水合物,从而无法得到稳定的图像。”

为了克服上述困难,研究人员发展了基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术,可以依靠极其微弱的高阶静电力来扫描成像。他们将此技术应用到离子水合物体系,首次获得了原子级分辨成像,并结合第一性原理计算和原子力图像模拟,成功确定了其原子吸附构型。

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