“現在我們用的鋰離子電池，它的充電和放電主要由鋰離子在兩個電極之間來回傳輸實現。如果我們對電極材料進行精確的界面調控，利用溶劑化離子輸運的幻數效應，則可以提高離子的傳輸速率，從而縮短充電時間和增大電池功率。”北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎日前向公眾展望了最新研究成果水合離子輸運的幻數效應在未來的應用前景。近日，該科研團隊繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像后，在國際上首次得到水合鈉離子的原子級分辨圖像，并發現了一種水合離子輸運的幻數效應。該成果于5月14日在國際學術期刊《自然》上發表。

圖為鈉離子水合物的亞分子級分辨成像。從左至右，依次為五種離子水合物的原子結構圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。

水是自然界中最豐富、人們最為熟悉但也最不了解的物質之一。在《科學》雜志創刊125周年之際，水的結構成為本世紀125個最具挑戰性的科學問題之一。其中，離子水合物的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點。

科研人員解釋，水與其他物質的相互作用非常復雜。由于水是強極性分子，它作為溶劑（Solvent）能使很多鹽發生溶解，并且能與溶解的離子結合在一起形成團簇，此過程稱為離子水合（ion hydration），形成的離子水合團簇稱為離子水合物（ion hydrate）。“離子水合可以說是無處不在，在眾多物理、化學、生物過程中扮演著重要角色，比如：鹽的溶解、電化學反應、生命體內的離子轉移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。”江穎說。

離子水合物的微觀結構以及離子水合物的動力學如此重要，在各國科學家長達百余年的努力后，離子的水合殼層數、各個水合層中水分子的數目和構型、水合離子對水氫鍵結構的影響、決定水合離子輸運性質的微觀因素等諸多問題，至今仍沒有定論。尤其是對于界面和受限體系，由于表面的不均勻性和晶格的多樣性，水分子、離子和表面三者之間的相互作用使得這個問題更加復雜。“究其原因，關鍵在于缺乏單原子、單分子尺度的表征和調控手段，以及精準可靠的計算模擬方法。”江穎解釋。

為攻破這些科學難題，近年來，中國科學院/北京大學王恩哥課題組、北京大學量子材料科學中心江穎課題組與同事和學生一起合作，發展了原子水平上的高分辨掃描探針技術和針對輕元素體系的全量子化計算方法，在水/冰的結構和動力學研究中得到成功應用，通過實驗和理論的深度融合，澄清了若干疑難科學問題，刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認知。他們首次在實空間獲得了水分子的亞分子級分辨圖像（Nat. Mat. 13, 184 (2014)），揭示了水團簇分子間結合的氫鍵取向及質子的協同量子隧穿（Nat. Phys. 11, 235 (2015)，測得了單個氫鍵的強度及核量子效應的影響（Science 352, 321 (2016)），研究了冰的形核與生長機理以及冰表面的預融化過程（PNAS 109, 13177 (2012)）。這些工作為水合物的原子尺度研究打下堅實基礎。

盡管有這些科研突破作為基礎，研究離子水合物的微觀結構和動力學行為也并非易事。據江穎介紹，首先面臨的巨大挑戰是如何在實驗上獲得單個離子水合物？“雖然得到離子水合物非常容易（把鹽倒入水中即可），但是這些離子水合物相互聚集、相互影響，水合結構也在不斷變化，不利于高分辨成像。要得到適合掃描探針顯微鏡研究的單個離子水合物是一件非常困難的事。”為了解決這一難題，研究人員基于掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術，來可控的制備單個離子水合物。

實驗制備出的單個離子水合物團簇后，接下來需要通過高分辨成像弄清楚其幾何吸附構型。由于離子水合物屬于弱鍵合體系，比水分子團簇更加脆弱，因此針尖很容易擾動離子水合物，從而無法得到穩定的圖像。

為克服上述困難，研究人員發展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，可以依靠極其微弱的高階靜電力來掃描成像。他們將此技術應用到離子水合物體系，首次獲得了原子級分辨成像，并結合第一性原理計算和原子力圖像模擬，成功確定了其原子吸附構型。“從圖中可以看到，不僅是水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子取向的微小變化都可以直接識別。這也是水合離子的概念提出一百多年來，首次在實空間直接“看到”水合離子的原子級圖像。”江穎告訴記者。