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科学:“看见”原子极限 中国科学家首次揭示水合离子的微观结构

2018-05-15 09:25 来源:新华社

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华社北京5月14日电(记者董瑞丰)北京大学和中国科学院的一支联合研究团队日前利用自主研发的高精度显微镜,首次获得水合离子的原子级图像,并发现其输运的“幻数效应”,未来在离子电池、海水淡化以及生命科学相关领域等将有重要应用前景。该成果于北京时间14日由国际顶级学术期刊《自然》在线发表。

水是人类熟悉但并不真正了解的一种物质。水与溶解其中的离子结合在一起形成团簇,称为水合离子,盐的溶解、大气污染、生命体内的离子转移等都与水合离子有关。19世纪末科学家就开始相关研究,但由于缺乏原子尺度的实验手段以及精准可靠的计算模拟方法,水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。

中科院院士、北京大学讲席教授王恩哥与北京大学物理学院教授江颖带领课题组,在实验中首次获得了单个的水合离子,随后通过高精度扫描探针显微镜,得到其原子级分辨图像。这是一百多年来人类首次直接“看到”水合离子的原子级图像。

“观测到了最小的原子——氢原子,几乎已经达到极限,可以对原子核与电子的量子效应同时进行精确描述。”王恩哥说。

经过高精度观测,中国科学家还发现了水合离子的“幻数效应”,即包含3个水分子的钠离子水合物在表面上具有异常高的扩散能力。江颖介绍,该研究结果意味着,可以选择性增强或减弱某种离子的输运能力,在离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等应用领域具有重要的潜在意义。

“比如,可以通过对离子电池的电极材料进行界面调控,借助‘幻数效应’提高离子的传输速率,从而缩短充电时间和增大电池功率。”江颖说。(完)

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