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破世界難題 中國科學(xué)(xué)家首揭水合離子原子級分辨圖像及幻數效應_

瀏覽:20616 時(shí)(shí)間:2018-12-05 分類(lèi)(lèi):服務(wù)(wù)中心
“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(gè)(gè)電極之間來(lái)(lái)回傳輸實(shí)(shí)現。如果我們對電極材料進(jìn)(jìn)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(shí)(shí)間和增大電池功率?!?
    “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(gè)(gè)電極之間來(lái)(lái)回傳輸實(shí)(shí)現。如果我們對電極材料進(jìn)(jìn)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(shí)(shí)間和增大電池功率?!北本┐髮W(xué)(xué)物理學(xué)(xué)院量子材料科學(xué)(xué)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(lái)(lái)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(fā)(fā)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(xué)(xué)術(shù)(shù)期刊《自然》(https://doi.org/10.1038/s41586-018-0122-2)上發(fā)(fā)表。
 
  水是自然界中最豐富、人們最為熟悉但也最不了解的物質(zhì)(zhì)之一。在《科學(xué)(xué)》雜志創(chuàng )(chuàng )刊125周年之際,水的結構成為本世紀125個(gè)(gè)最具挑戰性的科學(xué)(xué)問(wèn)(wèn)題之一。其中,離子水合物的微觀(guān)(guān)結構和動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)一直是學(xué)(xué)術(shù)(shù)界爭論的焦點(diǎn)(diǎn)。
 
  科研人員解釋?zhuān)c其他物質(zhì)(zhì)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(fā)(fā)生溶解,并且能與溶解的離子結合在一起形成團簇,此過(guò)(guò)程稱(chēng)(chēng)為離子水合(ion hydration),形成的離子水合團簇稱(chēng)(chēng)為離子水合物(ion hydrate)?!半x子水合可以說(shuō)(shuō)是無(wú)(wú)處不在,在眾多物理、化學(xué)(xué)、生物過(guò)(guò)程中扮演著(zhù)(zhù)重要角色,比如:鹽的溶解、電化學(xué)(xué)反應、生命體內的離子轉移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等?!苯f說(shuō)(shuō)。
 
  離子水合物的微觀(guān)(guān)結構以及離子水合物的動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)如此重要,在各國科學(xué)(xué)家長(cháng)(cháng)達百余年的努力后,離子的水合殼層數、各個(gè)(gè)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(zhì)(zhì)的微觀(guān)(guān)因素等諸多問(wèn)(wèn)題,至今仍沒(méi)(méi)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(gè)(gè)問(wèn)(wèn)題更加復雜?!熬科湓?,關(guān)(guān)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?!苯f解釋。
 
  為攻破這些科學(xué)(xué)難題,近年來(lái)(lái),中國科學(xué)(xué)院/北京大學(xué)(xué)王恩哥課題組、北京大學(xué)(xué)量子材料科學(xué)(xué)中心江穎課題組與同事和學(xué)(xué)生一起合作,發(fā)(fā)展了原子水平上的高分辨掃描探針技術(shù)(shù)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(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)研究中得到成功應用,通過(guò)(guò)實(shí)(shí)驗和理論的深度融合,澄清了若干疑難科學(xué)(xué)問(wèn)(wèn)題,刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認知。他們首次在實(shí)(shí)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(zhì)(zhì)子的協(xié)(xié)同量子隧穿(Nat.Phys.11,235(2015),測得了單個(gè)(gè)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(cháng)(cháng)機理以及冰表面的預融化過(guò)(guò)程(PNAS 109,13177(2012))。這些工作為水合物的原子尺度研究打下堅實(shí)(shí)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(guān)(guān)結構和動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)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(shí)(shí)驗上獲得單個(gè)(gè)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(gè)(gè)離子水合物是一件非常困難的事?!睘榱私鉀Q這一難題,研究人員基于掃描隧道顯微鏡發(fā)(fā)展了一套獨特的離子操控技術(shù)(shù),來(lái)(lái)可控的制備單個(gè)(gè)離子水合物。
 
  實(shí)(shí)驗制備出的單個(gè)(gè)離子水合物團簇后,接下來(lái)(lái)需要通過(guò)(guò)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(dòng)(dòng)離子水合物,從而無(wú)(wú)法得到穩定的圖像。
 
  為克服上述困難,研究人員發(fā)(fā)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(shù)(shù),可以依靠極其微弱的高階靜電力來(lái)(lái)掃描成像。他們將此技術(shù)(shù)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?!皬膱D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(lái)(lái),首次在實(shí)(shí)空間直接“看到”水合離子的原子級圖像?!苯f告訴記者。研究不僅得到了水合離子的原子級分辨圖像,研究人員還利用帶電的針尖作為電極,通過(guò)(guò)非彈性電子激發(fā)(fā)控制單個(gè)(gè)水合離子在NaCl表面上的定向輸運,發(fā)(fā)現了一種有趣的幻數效應:包含有特定數目水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴散能力,遷移率比其他水合物要高1-2個(gè)(gè)量級,甚至遠高于體相離子的遷移率。
 
  結合第一性原理計算和經(jīng)(jīng)典分子動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)模擬,科研人員發(fā)(fā)現這種幻數效應來(lái)(lái)源于離子水合物與表面晶格的對稱(chēng)(chēng)性匹配程度。具體來(lái)(lái)說(shuō)(shuō),包含1、2、4、5個(gè)(gè)水分子的離子水合物總能通過(guò)(guò)調整找到與NaCl襯底的四方對稱(chēng)(chēng)性晶格匹配的結構,因此與襯底束縛很緊,不容易運動(dòng)(dòng);而含有3個(gè)(gè)水分子的離子水合物,卻很難與四方對稱(chēng)(chēng)性的NaCl襯底匹配,因此會(huì )(huì )在表面形成很多亞穩態(tài)(tài)結構,再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉,使得離子水合物的擴散勢壘大大降低,遷移率顯著(zhù)(zhù)提高。分子動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)模擬結果表明,這一幻數效應可以在很大一個(gè)(gè)溫度范圍內存在(包括室溫)。此外,他們還發(fā)(fā)現這種動(dòng)(dòng)力學(xué)(xué)幻數效應具有一定的普適性,適用于相當一部分鹽離子體系。
 
  此次研究成果有何重要意義?江穎表示,水溶液中的離子輸運研究長(cháng)(cháng)期以來(lái)(lái)都是基于連續介質(zhì)(zhì)模型,而忽略了離子與水相互作用以及離子水合物和界面相互作用的微觀(guān)(guān)細節。該研究首次建立了離子水合物的微觀(guān)(guān)結構和輸運性質(zhì)(zhì)之間的直接關(guān)(guān)聯(lián)(lián),刷新了人們對于受限體系中離子輸運的傳統認識?!把芯拷Y果表明,可以通過(guò)(guò)改變表面晶格的對稱(chēng)(chēng)性和周期性來(lái)(lái)控制受限環(huán)(huán)境或納米流體中離子的輸運,從而達到選擇性增強或減弱某種離子輸運能力的目的,這對很多相關(guān)(guān)的應用領(lǐng)(lǐng)域都具有重要的潛在意義,比如:離子電池、防腐蝕、電化學(xué)(xué)反應、海水淡化、生物離子通道等等?!貝送?,記者了解到,該研究展的實(shí)(shí)驗技術(shù)(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)(lái)有望應用到更多更廣泛的水合物體系,開(kāi)(kāi)辟全新的研究領(lǐng)(lǐng)域。
 
  《自然》雜志三個(gè)(gè)不同領(lǐng)(lǐng)域審稿人一致認為該成果“會(huì )(huì )馬上引起理論和應用表面科學(xué)(xué)領(lǐng)(lǐng)域的廣泛興趣”(The results presented in this manu are of immediate interest to the communities dealing with theoretical and applied surface science),“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”(This result may open a venue for controlling diffusion transport on nano-engineered crystal surfaces and it may be also extended to other hydration systems)。
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