北京大學江穎教授

⑴ 中國有哪些領域進展很迅速

紡織及石油化工，有上千種產品。化學纖維有芳烴等等。還有噴射紡織。大型機械、橋梁建造、大型船舶、金屬材料、朔料、復合材料等等，也都有突破。在太空探測、航天航空領域，更是有目共睹。全球衛星定位導航系統、遙感遙測、天宮系列、嫦娥系列等等，世界矚目。

⑵ 北京大學國際量子材料科學中心的團隊

北京大學國際量子材料科學中心：謝心澄，王恩哥，牛謙， 杜瑞瑞，施均仁，吳飆，江穎等學者，中心設30名專職研究職位及100名流動研究職位（博士後、研究生、客座教授和訪問學者等）。

⑶ 為什麼離子只能表示微觀意義

水，可謂是人們最為熟悉，同時也是最不了解的一種物質。國際頂級學術期刊《科學》在創刊125周年之際，公布了本世紀125個最具挑戰性的科學問題，其中就包括：水的結構如何。

解放日報·上觀新聞記者獲悉，近日，北京大學量子材料科學中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學化學與分子工程學院高毅勤課題組與中國科學院/北京大學王恩哥課題組合作，繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像後，再次取得突破，首次得到了水合鈉離子的原子級分辨圖像，並發現了一種水合離子輸運的幻數效應。該工作於北京時間5月14日發表在國際頂級學術期刊《自然》鏈接

這是一個百年的難題

水之所以如此復雜，其中一個重要原因是氫原子核的量子效應。眾所周知，水的分子結構由兩個氫原子和一個氧原子組成，而氫是元素周期表中最輕的原子。一般來說，如果原子核較重，我們可以近似地把它處理為經典粒子，只把電子量子化。但對於氫原子這種近似就失效了。這就要求把原子核與電子一起量子化，即全量子化。而這是一個百年的難題。

圖1：水分子使氯化鈉（NaCl）溶解形成離子水合物

水與其他物質的相互作用同樣也是非常復雜的過程。水作為溶劑，能使很多鹽發生溶解，而且能與溶解的離子結合在一起形成團簇，此過程稱為離子水合，形成的離子水合團簇稱為離子水合物。離子水合可以說是無處不在，比如鹽的溶解、電化學反應、生命體內的離子轉移、大氣污染、海水淡化、腐蝕等。

由於離子與水之間的相互作用，離子不僅會影響水的氫鍵網路構型，而且會影響水分子的各種動力學性質，比如水分子的振動、轉動、擴散、質子轉移等。反過來，水分子在離子周圍形成水合殼層，會對離子的電場產生屏蔽，並影響離子的動力學性質，比如離子的輸運和傳導等。尤其是在受限體系（比如納米流體）中，由於尺寸效應，這種影響尤為明顯。

離子水合物的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點。最早的實驗研究可以追溯到1900年德國著名物理化學家瓦爾特·能斯特（1920年諾貝爾化學獎獲得者）的遷移實驗。雖然經過了一百多年的努力，許多問題至今仍沒有定論。究其原因，關鍵在於缺乏單原子、單分子尺度的表徵和調控手段，以及精準可靠的計算模擬方法。

近年來，王恩哥、江穎與同事和學生們一起合作，自行搭建了高分辨掃描探針顯微鏡，其解析度和靈敏度達到國際最好水平。他們發展了原子水平上的高分辨掃描探針技術和針對輕元素體系的全量子化計算方法，在水/冰的結構和動力學研究中得到了成功的應用，澄清了若干疑難科學問題，刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認知。特別是他們首次在實空間獲得了水分子的亞分子級分辨圖像，這是「世界首張水分子的內部結構照片」，為水合物的原子尺度研究打下了堅實的基礎。

圖2：掃描探針顯微鏡

首次直接「看到」水合離子的原子級圖像

把鹽倒入水中，即可得到離子水合物，但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，不利於高分辨成像。如何在實驗上獲得單個離子水合物，成為了研究離子水合物的微觀結構和動力學行為，首先要面臨的巨大挑戰。

為了解決這一難題，研究人員經過不斷的嘗試和摸索，基於掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術，來可控地制備單個離子水合物。

圖3：在氯化鈉表面人工制備單個鈉離子水合物的方法

有了離子水合物，對其進行高分辨成像也面臨著巨大的挑戰。由於離子水合物屬於弱鍵合體系，比水分子團簇更加脆弱，因此實驗中的金屬針尖很容易擾動離子水合物，從而無法得到穩定的圖像。為了克服上述困難，研究人員發展了基於一氧化碳針尖修飾的非侵擾式原子力顯微鏡成像技術，可以依靠極其微弱的高階靜電力來掃描成像。他們將此技術應用到離子水合物體系，首次獲得了原子級分辨成像，並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。所謂眼見為實，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。這是水合離子的概念提出一百多年來，首次在實空間直接「看到」水合離子的原子級圖像。

圖4：鈉離子水合物的亞分子級分辨成像。從左至右，依次為五種離子水合物的原子結構圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。圖像尺寸：1.5 nm ×1.5 nm。

發現了奇妙的動力學幻數效應

為了進一步研究離子水合物的動力學輸運性質，研究人員利用帶電的針尖作為電極，通過非彈性電子激發控制單個水合離子在氯化鈉表面上的定向輸運，發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個量級，甚至遠高於體相離子的遷移率。結合第一性原理計算和經典分子動力學模擬，他們發現這種幻數效應來源於離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度，並可以在很大一個溫度范圍內存在（包括室溫）。此外，他們還發現這種動力學幻數效應具有一定的普適性，適用於相當一部分鹽離子體系。

這些研究無論對水基礎科學還是水應用技術開發，都有著重要的意義。水溶液中的離子輸運研究長期以來都是基於連續介質模型，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細節。該工作首次建立了離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，刷新了人們對於受限體系中離子輸運的傳統認識，從全新的角度來思考生物體中離子傳輸的高效性和選擇性。該項研究的結果表明，可以通過改變表面晶格的對稱性和周期性來控制受限環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。這對很多相關的應用領域都具有重要的潛在意義，比如離子電池、防腐蝕、電化學反應、海水淡化、生物離子通道等等。例如：可以通過對電極材料進行界面調控，利用幻數效應提高離子的傳輸速率，從而縮短充電時間和增大電池功率。

此外，該工作發展的實驗技術也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應用到更多更廣泛的水合物體系，開辟全新的研究領域。

該工作得到了《自然》雜志三個不同領域審稿人的一致好評和欣賞。他們認為該工作「會馬上引起理論和應用表面科學領域的廣泛興趣」「為在納米尺度控製表面上的水合離子輸運提供了新的途徑並可以拓展到其他水合體系」。