繼2014年獲得世界第一張亞分子級分辨率的水分子圖像后，中國科學(xué)家再次取得突破，將分辨率推向了氫原子極限，首次“看到”水合離子的原子級分辨圖像?！@是水合離子的概念提出一百多年來，人類第一次在實空間直接“看到”水合離子的原子級圖像。

5月14日上午，中國科學(xué)院科學(xué)傳播局在北京舉行新聞發(fā)布會宣布了這項成果。該工作由北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤課題組與中國科學(xué)院/北京大學(xué)王恩哥課題組合作完成，相關(guān)成果已于當(dāng)天在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志（Nature）發(fā)表。

中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)講席教授、中國科學(xué)院大學(xué)卡維里研究所名譽所長王恩哥說，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個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，其中就包括：水的結(jié)構(gòu)如何？2015年，《德國應(yīng)用化學(xué)》也將水的相關(guān)問題列入未來24個關(guān)鍵化學(xué)問題。

在當(dāng)天的發(fā)布會上，王恩哥說，水之所以如此復(fù)雜，其中一個重要原因是氫（H）原子核的量子效應(yīng)。水的分子結(jié)構(gòu)很簡單：H2O，而H是元素周期表中最輕的原子。一般來說，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，從而對其進行研究——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，由于水是強極性分子，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)合在一起形成團簇，此過程稱為離子水合——這種過程可以說是無處不在，而且在眾多物理、化學(xué)、生物過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。

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

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)可靠的計算模擬方法。近年來，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)和針對輕元素體系的全量子化計算方法，在水/冰的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究中得到了成功的應(yīng)用，通過實驗和理論的深度融合，刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認(rèn)知。

當(dāng)天，王恩哥表示，經(jīng)過中國科學(xué)家20多年的持續(xù)投入、4個課題組的緊密合作，終于在實驗上制備出的單個離子水合物團簇，并通過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，具有異常高的擴散能力——說白了就是比其他水合物“跑得快”。

江穎說，這項工作對相關(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)展的實驗技術(shù)也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應(yīng)用到更多更廣泛的水合物體系，開辟全新的研究領(lǐng)域。

這項研究得到了《自然》雜志三個不同領(lǐng)域?qū)徃迦说暮迷u，認(rèn)為該工作“會馬上引起理論和應(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提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”。