从原子尺度看清水合离子真容

  • 时间:
  • 浏览:1

调查间题加载中,请稍候。

若长时间无响应,请刷新本页面

  把“命门”掌握在自己眼前

  金 凤

  “水是世界上最常见、也是非常僵化 的物质。最近,亲戚亲戚亲们在尝试人工控制结冰,在国际上首次从原子层次上观察到冰是怎样才能形成的,发现在二维极限下冰的特征与石墨烯很类式 ……”前不久,在第二届世界顶尖科学家青年论坛上,北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖描绘的水世界吸粉无数。话音刚落,参会的多位诺奖得主纷纷上前交流,水之于人类,还有哪几个未解之谜?

  从原子尺度“窥视”水的特征以及水合离子的特征,捕捉水分子与离子怎样才能“相爱相杀”,曾困扰人类百余年。近5年来,江颖团队相继获得世界首张亚分子级分辨的水分子图像、世界首张水合钠离子的原子级分辨图像,并发现了水合离子是怎样才能运动的。这对于改良锂离子电池、提高海水淡化速率单位、治理雾霾等,都能起到一定的有利于作用。

  从一池盐水中抓取到单个水合离子

  生命离不开水,但水之于生命就像有一一2个隐形的亲戚亲戚亲们,它时刻相伴左右,亲戚亲戚亲们却始终看不清它的容颜。

  水的低调、深沉,源于它神秘的“内涵”。北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖接受科技日报记者采访时介绍,水与越多越多物质的相互作用非常僵化 。类式 ,水作为溶剂能使越多越多盐挥发性,盐里的钠离子、钾离子会被水分子有一一2个个拽出来,被水分子包围,离子和水分子就形成了有一一2个个的水合离子。“以后我,哪几个离子附近快件了几层水分子,哪几个水分子的数目和特征是怎样才能的,它们在离子附近是怎样才能分布的,又是怎样才能运动的,水合离子对水的氢键特征有哪几个影响,困扰了国内外科学家5000多年。”

  要看清楚水合离子的特征和运动规律,面临的巨大挑战之一,以后我怎样才能在实验上获得单个离子水合物。

  江颖团队发展了一套独特的离子操控技术,亲戚亲戚亲们首先将直径约20微米、至少头发丝直径一半的金属丝“削尖”成单原子,用针尖在氯化钠薄膜棘层移动,抓取单个钠离子,再用涵盖钠离子的针尖扫描水分子,形成涵盖一一2个水分子的钠离子水合物,以后我拖动越多越多水分子与钠离子水合物结合,便得到涵盖不同水分子数目的钠离子水合物。

  改良音叉做探针,看了“多动”的水合离子

  工欲善其事必先利其器。实验制备出单个水合离子后,便还会 通不够分辨成像看清楚水合离子的特征。

  有一一2个偶然的因为,江颖受“qPlus原子力显微镜技术”的启发,琢磨上了音叉。“上音乐课的事先 ,老师会拿着音叉让亲戚亲戚亲们辨音,音叉质量,叉臂长短、粗细的差异,会因为它们发出不同的声音。因为把音叉的有一一2个叉臂连上针尖,用针尖和水合离子占据 作用,就会产生振动频率的变化,而振动频率的变化就反映了力的大小。通过力在空间中的微小变化就可选着水分子和离子的精确位置。”

  说干就干。为了提升音叉品质因子和共振频率,江颖团队将音叉的特征做成不对称的特征,有一一2个叉壁厚,有一一2个叉壁薄,以提高信噪比,降低力的耗散。最终,探针还会 探测到皮牛级的力,灵敏度和分辨率均占据 国际领先水平,依靠极其微弱的高阶静电力,还会 清楚区分出单个水中带正电的氢原子和带负电的氧原子。

  2018年,江颖团队成功选着了水合离子的原子吸附构型,不仅水分子和离子的吸附位置还会 精确选着,就连水分子的微小变化都可直接识别。这是亲戚亲戚亲们首次在实空间得到离子水合物的原子层次图像。

  而以后我对水合离子输运规律的研究发现,包涵盖特定数目水分子的钠离子水合物,在氯化钠晶体棘层运动时,似乎患上了“多动症”,运动速率单位比越多越多水合物要高10—5000倍。

  具体来说,涵盖1、2、4、2个水分子的钠离子水合物容易被氯化钠晶体棘层“捕捉”,而涵盖2个水分子的离子水合物,却太难与四方对称性的氯化钠衬底匹配,越多越多在晶格棘层“蹦蹦跳跳”。“你你是什么 幻数效应有一定的普适性,适用于相当一帕累托图盐离子体系。”江颖说。

  有有利于锂电池研发、海水淡化、雾霾治理

  水合离子变得可观可控,正在给亲戚亲戚亲们带来惊喜。江颖表示,目前,亲戚亲戚亲们正在和媒体媒体战略合作尝试研发你你是什么“水系锂离子电池”,通过调配锂离子和水比例,形成你你是什么稳定的离子水合特征,生成新的电解液,提高电池的安全性,正确处理电池爆炸。“目前的难点在于,电池的电压太难太高,类式 通常的水系离子电池施加1.23伏以上的电压,水就会分解,因为电池失效。”

  不过近日,江颖团队与北京大学深圳研究生院研究团队发现,当电池电解液内锂离子和水的比例达到1∶2时,会形成你你是什么特殊的链状特征,施加2伏以上的电压,水以后我会分解。“以后我你你是什么 特征在金属和石墨的棘层都能形成,这为更安全的新型电解液的研发提供了新的思路。”

  海水淡化都不 因为更加高效。“海水淡化,主以后我将海水中的盐离子添加,变成淡水。因为知道离子附近的水是怎样才能与其结合的,就还会 想依据让亲戚亲戚亲们分离,还还会 尝试利用幻数效应,设计越多越多特殊特征的孔道,让离子快速跑掉,让水留下来。”江颖透露,目前,亲戚亲戚亲们正在研究氧化石墨烯棘层怎样才能亲水、脱水,尝试用你你是什么 材料来过滤海水。

  初冬来临,一呼一吸间,雾霾颗粒因为进入人体。在江颖看来,不同性质的雾霾颗粒及其棘层特征,决定了快件其的水层和水分子的特征不同,这都将影响雾霾颗粒的生长和聚集,以及雨和雪的形成,以后因为能发现水合离子的特征和形成规律,就还会 反其道而行之,破坏掉哪几个特征,抑制雾霾的形成。

[ 责编:张佳兴 ]

阅读剩余全文(