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科学: 中国科学家首次获得水合钠离子原子级分辨图像(3)

2018-05-15 09:28 来源:环球时报

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江颖说:“从图中我们可以看到,不仅是水分子和离子的吸附位置可以精确确定,就连水分子取向的微小变化都可以直接识别。这也是水合离子的概念提出100多年来,首次在实空间直接‘看到’水合离子的原子级图像。”

研究人员通过非弹性电子激发控制单个水合离子在NaCl表面上的定向输运,还发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力,迁移率比其他水合物要高1—2个量级,甚至远高于体相离子的迁移率。

王恩哥说:“之后的第一性原理计算和分子动力学模拟结果表明,这一幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度,可以在很大一个温度范围内存在,包括室温。此外,我们还发现这种动力学幻数效应具有一定的普适性,适用于相当一部分盐离子体系。”

研究成果在离子电池、生物离子通道、海水淡化等相关应用领域具有重要意义

“水溶液中的离子输运研究长期以来都是基于连续介质模型,而忽略了离子与水相互作用以及离子水合物和界面相互作用的微观细节。这项研究首次建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联,刷新了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。”王恩哥说。

该项研究的结果表明,可以通过改变表面晶格的对称性和周期性来控制受限环境或纳米流体中离子的输运,从而达到选择性增强或减弱某种离子输运能力的目的,这对很多相关的应用领域都具有重要的潜在意义,比如:离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等。

江颖举例说:“在海水淡化中,可以设计特定对称性和周期的材料,利用幻数效应来提高离子的过滤效率和选择性;在离子电池方面,可以通过对电极材料进行界面调控,提高离子的传输速率,从而缩短充电时间和增大电池功率。”

此外,此项研究发展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次,未来有望应用到更多更广泛的水合物体系当中,开辟全新的研究领域。

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