把“命門(mén)”掌握在自己手中

“水是世界上最常見(jiàn)、也是非常復(fù)雜的物質(zhì)。最近，我們?cè)趪L試人工控制結(jié)冰，在國(guó)際上首次從原子層次上觀察到冰是如何形成的，發(fā)現(xiàn)在二維極限下冰的結(jié)構(gòu)與石墨烯很相似……”前不久，在第二屆世界頂尖科學(xué)家青年論壇上，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎描繪的水世界吸粉無(wú)數(shù)。話音剛落，參會(huì)的多位諾獎(jiǎng)得主紛紛上前交流，水之于人類(lèi)，還有哪些未解之謎?

從原子尺度“窺視”水的結(jié)構(gòu)以及水合離子的結(jié)構(gòu)，捕捉水分子與離子如何“相愛(ài)相殺”，曾困擾人類(lèi)百余年。近5年來(lái)，江穎團(tuán)隊(duì)相繼獲得世界首張亞分子級(jí)分辨的水分子圖像、世界首張水合鈉離子的原子級(jí)分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)了水合離子是如何運(yùn)動(dòng)的。這對(duì)于改良鋰離子電池、提高海水淡化效率、治理霧霾等，都能起到一定的促進(jìn)作用。

從一池鹽水中抓取到單個(gè)水合離子

生命離不開(kāi)水，但水之于生命就像一個(gè)隱形的朋友，它時(shí)刻相伴左右，我們卻始終看不清它的容顏。

水的低調(diào)、深沉，源于它神秘的“內(nèi)涵”。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹，水與其他物質(zhì)的相互作用非常復(fù)雜。例如，水作為溶劑能使很多鹽溶解，鹽里的鈉離子、鉀離子會(huì)被水分子一個(gè)個(gè)拽出來(lái)，被水分子包圍，離子和水分子就形成了一個(gè)個(gè)的水合離子。“但是，這些離子周?chē)藥讓铀肿?，這些水分子的數(shù)目和結(jié)構(gòu)是怎樣的，它們?cè)陔x子周?chē)侨绾畏植嫉?，又是如何運(yùn)動(dòng)的，水合離子對(duì)水的氫鍵結(jié)構(gòu)有什么影響，困擾了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家100多年。”

要看清楚水合離子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，就是如何在實(shí)驗(yàn)上獲得單個(gè)離子水合物。

江穎團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，他們首先將直徑約20微米、相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑一半的金屬絲“削尖”成單原子，用針尖在氯化鈉薄膜表面移動(dòng)，抓取單個(gè)鈉離子，再用帶有鈉離子的針尖掃描水分子，形成含有一個(gè)水分子的鈉離子水合物，然后拖動(dòng)其他水分子與鈉離子水合物結(jié)合，便得到含有不同水分子數(shù)目的鈉離子水合物。

改良音叉做探針，看到“多動(dòng)”的水合離子

工欲善其事必先利其器。實(shí)驗(yàn)制備出單個(gè)水合離子后，便需要通過(guò)高分辨成像看清楚水合離子的結(jié)構(gòu)。

一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，江穎受“qPlus原子力顯微鏡技術(shù)”的啟發(fā)，琢磨上了音叉。“上音樂(lè)課的時(shí)候，老師會(huì)拿著音叉讓大家辨音，音叉質(zhì)量，叉臂長(zhǎng)短、粗細(xì)的差異，會(huì)導(dǎo)致它們發(fā)出不同的聲音。如果把音叉的一個(gè)叉臂連上針尖，用針尖和水合離子發(fā)生作用，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)頻率的變化，而振動(dòng)頻率的變化就反映了力的大小。通過(guò)力在空間中的微小變化就可確定水分子和離子的精確位置。”

說(shuō)干就干。為了提升音叉品質(zhì)因子和共振頻率，江穎團(tuán)隊(duì)將音叉的結(jié)構(gòu)做成不對(duì)稱(chēng)的形狀，一個(gè)叉壁厚，一個(gè)叉壁薄，以提高信噪比，降低力的耗散。最終，探針可以探測(cè)到皮牛級(jí)的力，靈敏度和分辨率均處于國(guó)際領(lǐng)先水平，依靠極其微弱的高階靜電力，可以清楚區(qū)分出單個(gè)水中帶正電的氫原子和帶負(fù)電的氧原子。

2018年，江穎團(tuán)隊(duì)成功確定了水合離子的原子吸附構(gòu)型，不僅水分子和離子的吸附位置可以精確確定，就連水分子的微小變化都可直接識(shí)別。這是人們首次在實(shí)空間得到離子水合物的原子層次圖像。

而隨后對(duì)水合離子輸運(yùn)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，包含有特定數(shù)目水分子的鈉離子水合物，在氯化鈉晶體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，似乎患上了“多動(dòng)癥”，運(yùn)動(dòng)速度比其他水合物要高10—100倍。

具體來(lái)說(shuō)，包含1、2、4、5個(gè)水分子的鈉離子水合物容易被氯化鈉晶體表面“捕捉”，而含有3個(gè)水分子的離子水合物，卻很難與四方對(duì)稱(chēng)性的氯化鈉襯底匹配，所以在晶格表面“蹦蹦跳跳”。“這種幻數(shù)效應(yīng)有一定的普適性，適用于相當(dāng)一部分鹽離子體系。”江穎說(shuō)。

有利于鋰電池研發(fā)、海水淡化、霧霾治理

水合離子變得可觀可控，正在給我們帶來(lái)驚喜。江穎表示，目前，他們正在和合作者嘗試研發(fā)一種“水系鋰離子電池”，通過(guò)調(diào)配鋰離子和水比例，形成一種穩(wěn)定的離子水合結(jié)構(gòu)，生成新的電解液，提高電池的安全性，避免電池爆炸。“目前的難點(diǎn)在于，電池的電壓不能太高，例如通常的水系離子電池施加1.23伏以上的電壓，水就會(huì)分解，導(dǎo)致電池失效。”

不過(guò)近日，江穎團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)深圳研究生院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池電解液內(nèi)鋰離子和水的比例達(dá)到1∶2時(shí)，會(huì)形成一種特殊的鏈狀結(jié)構(gòu)，施加2伏以上的電壓，水也不會(huì)分解。“而且這種結(jié)構(gòu)在金屬和石墨的表面都能形成，這為更安全的新型電解液的研發(fā)提供了新的思路。”

海水淡化也有可能更加高效。“海水淡化，主要是將海水中的鹽離子去掉，變成淡水。如果知道離子周?chē)乃侨绾闻c其結(jié)合的，就可以想辦法讓他們分離，還可以嘗試?yán)没脭?shù)效應(yīng)，設(shè)計(jì)一些特殊結(jié)構(gòu)的孔道，讓離子快速跑掉，讓水留下來(lái)。”江穎透露，目前，他們正在研究氧化石墨烯表面如何親水、脫水，嘗試用這種材料來(lái)過(guò)濾海水。

初冬來(lái)臨，一呼一吸間，霧霾顆?？赡苓M(jìn)入人體。在江穎看來(lái)，不同性質(zhì)的霧霾顆粒及其表面結(jié)構(gòu)，決定了包裹其的水層和水分子的結(jié)構(gòu)不同，這都將影響霧霾顆粒的生長(zhǎng)和聚集，以及雨和雪的形成，而如果能發(fā)現(xiàn)水合離子的結(jié)構(gòu)和形成規(guī)律，就可以反其道而行之，破壞掉這些結(jié)構(gòu)，抑制霧霾的形成。(金 鳳)