中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)講席教授、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)卡維里研究所名譽(yù)所長(zhǎng)王恩哥說(shuō)，我們都知道水的結(jié)構(gòu)，但直到這次我們才看清楚水分子中的氫原子在什么位置。氫原子是世界上最輕的原子，我們看到了自然界的原子的極限。

水，這個(gè)自然界中最豐富、人們最為熟悉的物質(zhì)，卻也是人類最不了解的物質(zhì)之一?！犊茖W(xué)》雜志（Science）在創(chuàng)刊125周年之際，公布了本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，其中就包括：水的結(jié)構(gòu)如何？2015年，《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》也將水的相關(guān)問(wèn)題列入未來(lái)24個(gè)關(guān)鍵化學(xué)問(wèn)題。

在當(dāng)天的發(fā)布會(huì)上，王恩哥說(shuō)，水之所以如此復(fù)雜，其中一個(gè)重要原因是氫（H）原子核的量子效應(yīng)。水的分子結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單：H2O，而H是元素周期表中最輕的原子。一般來(lái)說(shuō)，如果原子核較重，可以近似地把它處理為經(jīng)典粒子，只需把電子量子化，從而對(duì)其進(jìn)行研究——但這種方法套用在H這種“近似電子重量”的原子核身上，就失效了。

此外，水與其他物質(zhì)的相互作用同樣十分非常復(fù)雜。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎說(shuō)，由于水是強(qiáng)極性分子，它作為溶劑能使很多鹽發(fā)生溶解，而且能與溶解的離子結(jié)合在一起形成團(tuán)簇，此過(guò)程稱為離子水合

——這種過(guò)程可以說(shuō)是無(wú)處不在，而且在眾多物理、化學(xué)、生物過(guò)程中扮演著重要的角色，比如：鹽的溶解、電化學(xué)反應(yīng)、生命體內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。

事實(shí)上，離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。早在19世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合的存在并開(kāi)始了系統(tǒng)的研究，然而，盡管經(jīng)過(guò)了一百多年的努力，離子的水合殼層數(shù)、各個(gè)水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對(duì)水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運(yùn)性質(zhì)的微觀因素等諸多問(wèn)題，至今仍沒(méi)有定論。

究其原因，關(guān)鍵在于缺乏單原子、單分子尺度的表征和調(diào)控手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法。近年來(lái)，王恩哥、江穎與同事、學(xué)生一起合作，發(fā)展了原子水平上的高分辨掃描探針技術(shù)和針對(duì)輕元素體系的全量子化計(jì)算方法，在水/冰的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究中得到了成功的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論的深度融合，刷新了人們對(duì)水和其他氫鍵體系的認(rèn)知。

當(dāng)天，王恩哥表示，經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)家20多年的持續(xù)投入、4個(gè)課題組的緊密合作，終于在實(shí)驗(yàn)上制備出的單個(gè)離子水合物團(tuán)簇，并通過(guò)高分辨成像搞清楚了其幾何吸附構(gòu)型。

在此基礎(chǔ)上，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)：包含有特定數(shù)目水分子的鈉離子水合物，具有異常高的擴(kuò)散能力——說(shuō)白了就是比其他水合物“跑得快”。

江穎說(shuō)，這項(xiàng)工作對(duì)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的潛在意義，比如：離子電池、防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等等。此外，該工作發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來(lái)有望應(yīng)用到更多更廣泛的水合物體系，開(kāi)辟全新的研究領(lǐng)域。

這項(xiàng)研究得到了《自然》雜志三個(gè)不同領(lǐng)域?qū)徃迦说暮迷u(píng)，認(rèn)為該工作“會(huì)馬上引起理論和應(yīng)用表面科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣”，“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運(yùn)提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”。

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