从原子尺度看清水合离子真容

把“命门”掌握在自己手中

金 凤

“水是世界上最常见、也是非常复杂的物质。最近，我们在尝试人工控制结冰，在国际上首次从原子层次上观察到冰是如何形成的，发现在二维极限下冰的结构与石墨烯很相似……”前不久，在第二届世界顶尖科学家青年论坛上，北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖描绘的水世界吸粉无数。话音刚落，参会的多位诺奖得主纷纷上前交流，水之于人类，还有哪些未解之谜？

从原子尺度“窥视”水的结构以及水合离子的结构，捕捉水分子与离子如何“相爱相杀”，曾困扰人类百余年。近5年来，江颖团队相继获得世界首张亚分子级分辨的水分子图像、世界首张水合钠离子的原子级分辨图像，并发现了水合离子是如何运动的。这对于改良锂离子电池、提高海水淡化效率、治理雾霾等，都能起到一定的促进作用。

从一池盐水中抓取到单个水合离子

生命离不开水，但水之于生命就像一个隐形的朋友，它时刻相伴左右，我们却始终看不清它的容颜。

水的低调、深沉，源于它神秘的“内涵”。北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖接受科技日报记者采访时介绍，水与其他物质的相互作用非常复杂。例如，水作为溶剂能使很多盐溶解，盐里的钠离子、钾离子会被水分子一个个拽出来，被水分子包围，离子和水分子就形成了一个个的水合离子。“但是，这些离子周围包裹了几层水分子，这些水分子的数目和结构是怎样的，它们在离子周围是如何分布的，又是如何运动的，水合离子对水的氢键结构有什么影响，困扰了国内外科学家100多年。”

要看清楚水合离子的结构和运动规律，面临的巨大挑战之一，就是如何在实验上获得单个离子水合物。

江颖团队发展了一套独特的离子操控技术，他们首先将直径约20微米、相当于头发丝直径一半的金属丝“削尖”成单原子，用针尖在氯化钠薄膜表面移动，抓取单个钠离子，再用带有钠离子的针尖扫描水分子，形成含有一个水分子的钠离子水合物，然后拖动其他水分子与钠离子水合物结合，便得到含有不同水分子数目的钠离子水合物。

改良音叉做探针，看到“多动”的水合离子

工欲善其事必先利其器。实验制备出单个水合离子后，便需要通过高分辨成像看清楚水合离子的结构。

一个偶然的机会，江颖受“qPlus原子力显微镜技术”的启发，琢磨上了音叉。“上音乐课的时候，老师会拿着音叉让大家辨音，音叉质量，叉臂长短、粗细的差异，会导致它们发出不同的声音。如果把音叉的一个叉臂连上针尖，用针尖和水合离子发生作用，就会产生振动频率的变化，而振动频率的变化就反映了力的大小。通过力在空间中的微小变化就可确定水分子和离子的精确位置。”

说干就干。为了提升音叉品质因子和共振频率，江颖团队将音叉的结构做成不对称的形状，一个叉壁厚，一个叉壁薄，以提高信噪比，降低力的耗散。最终，探针可以探测到皮牛级的力，灵敏度和分辨率均处于国际领先水平，依靠极其微弱的高阶静电力，可以清楚区分出单个水中带正电的氢原子和带负电的氧原子。

2018年，江颖团队成功确定了水合离子的原子吸附构型，不仅水分子和离子的吸附位置可以精确确定，就连水分子的微小变化都可直接识别。这是人们首次在实空间得到离子水合物的原子层次图像。

而随后对水合离子输运规律的研究发现，包含有特定数目水分子的钠离子水合物，在氯化钠晶体表面运动时，似乎患上了“多动症”，运动速度比其他水合物要高10—100倍。

具体来说，包含1、2、4、5个水分子的钠离子水合物容易被氯化钠晶体表面“捕捉”，而含有3个水分子的离子水合物，却很难与四方对称性的氯化钠衬底匹配，所以在晶格表面“蹦蹦跳跳”。“这种幻数效应有一定的普适性，适用于相当一部分盐离子体系。”江颖说。

有利于锂电池研发、海水淡化、雾霾治理

水合离子变得可观可控，正在给我们带来惊喜。江颖表示，目前，他们正在和合作者尝试研发一种“水系锂离子电池”，通过调配锂离子和水比例，形成一种稳定的离子水合结构，生成新的电解液，提高电池的安全性，避免电池爆炸。“目前的难点在于，电池的电压不能太高，例如通常的水系离子电池施加1.23伏以上的电压，水就会分解，导致电池失效。”

不过近日，江颖团队与北京大学深圳研究生院研究团队发现，当电池电解液内锂离子和水的比例达到1∶2时，会形成一种特殊的链状结构，施加2伏以上的电压，水也不会分解。“而且这种结构在金属和石墨的表面都能形成，这为更安全的新型电解液的研发提供了新的思路。”

海水淡化也有可能更加高效。“海水淡化，主要是将海水中的盐离子去掉，变成淡水。如果知道离子周围的水是如何与其结合的，就可以想办法让他们分离，还可以尝试利用幻数效应，设计一些特殊结构的孔道，让离子快速跑掉，让水留下来。”江颖透露，目前，他们正在研究氧化石墨烯表面如何亲水、脱水，尝试用这种材料来过滤海水。

初冬来临，一呼一吸间，雾霾颗粒可能进入人体。在江颖看来，不同性质的雾霾颗粒及其表面结构，决定了包裹其的水层和水分子的结构不同，这都将影响雾霾颗粒的生长和聚集，以及雨和雪的形成，而如果能发现水合离子的结构和形成规律，就可以反其道而行之，破坏掉这些结构，抑制雾霾的形成。