我國科學家掀起水分子的“蓋頭”,破解本世紀最具挑戰的科學問題之一

2019-07-05 14:29:55 來源: 科技日報 作者: 唐婷

科技日報記者

在日常生活中,水實在是再普通常見不過的物質了。但熟悉的東西,人們卻未必真正地了解。

“水的結構如何”,曾被《科學》雜志列為本世紀125個最具挑戰性的科學問題之一。

在十年前的一次學術報告會上,來自英國的一位水科學領域資深教授的報告內容,給北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎留下了深刻的印象。長期以來,關于水結構的理論研究有很多,但從實驗層面來看,鮮有相關的結果能和理論對其進行直接對比和驗證。

“會后交流時,我問為什么實驗跟不上理論的發展,那位教授回答說,水科學研究的實驗難度太大了。當時,我就想,我們應該在實驗領域做一點事情?!苯f回憶道。

選擇迎難而上的江穎,和他所在的團隊一道,逐步逼近水的“真相”。首次拍攝到水分子內部結構、首次看到水合鈉離子的原子級“真面目”……他們的研究發現,不斷地刷新人們對于水的認知。

近日,由于其突出的科研表現,江穎榮獲第十五屆中國青年科技獎。

 

“隱形”的氫原子顯形

初中化學課上,老師們講過,水分子由兩個氫原子和一個氧原子構成。聽上去,水的分子結構似乎很簡單??梢陲@微鏡下真正看到水分子的結構,并非易事。

“在化學元素周期表上排第一的氫,它的質量和尺寸都非常的小,就像是一個‘隱形’的原子一樣,想在顯微鏡下捕捉到它并為其成像非常困難?!苯f說道。

在美國做博士后研究時,掃描探針顯微術是江穎主要的研究手段之一。通過探測電流掃描探針顯微鏡能夠對物質表面的形貌進行表征,分辨率可達到原子級別。

通常,光學顯微鏡的分辨率能達到幾百納米的量級,而掃描探針顯微鏡的分辨率能小于一個納米。在分辨率上,后者比前者要高3個量級。借助掃描探針顯微技術,能否讓氫原子顯形?

說干就干。江穎和團隊成員立馬開始著手設計實驗。在液態情況下,水的流動性非常強。想要對單個水分子成像,需要讓它能穩定地待在某種物質的表面上,也就是說,要找到合適的襯底。

過去,科學家一般采用金屬作為襯底,把水直接放在金屬表面上進行觀察。采用這種方法,拍攝到的水分子照片,最多只能拍出其模糊的外形——一個沒有任何內部結構的圓形凸起。

為了拍到水分子的“高清圖”,江穎團隊另辟蹊徑,在金屬和水分子中間插入了一層絕緣的氯化鈉薄膜。

氯化鈉可以牢牢地“抓”住單個水分子,同時減弱了水分子與金屬襯底之間的耦合,從而幫助科學家觀測并拍攝到水分子吸附在氯化鈉表面上的形貌和水分子的具體結構。

功夫不負有心人。2013年,江穎團隊在實驗室里首次觀測并拍攝到了單個水分子的內部結構,看到了氫原子和氧原子在水分子里是如何排列的。

“當時大家都非常興奮。在拍到單個水分子的同時,我們還拍到了由4個水分子組成的水團簇?!苯f回憶道,他們發現水分子之間通過氫鍵連接的時候,存在著一定的方向性,對水分子之間的網絡結構的形成有了更多的了解。

在氯化鈉的表面,水分子以什么樣的形態存在,是“躺”著還是“站立”著?對此,學界存在爭議,有理論模擬認為,水分子是“躺”在氯化鈉表面的。而江穎團隊的觀測結果表明,水分子是“站立”在氯化鈉表面上的。

這一“實錘”發現,對理論界也形成了不小的沖擊。

 

“看到”水合離子的原子級圖像

相信很多人都有過自制鹽水的經歷。舀一勺鹽,倒進一杯水里攪一攪,就能很容易地得到一杯鹽水。

可是,從微觀層面來看,水分子和鹽離子之間到底是如何相互作用的?這一直是科學家們迫切想解開的謎團。

早在19世紀末,科學家就開始了對離子水合過程的研究,但至今其中的許多問題尚無定論。在江穎看來,究其原因,關鍵在于缺乏直接觀測的實驗手段,以及精準可靠的計算模擬方法。

在看清單個水分子的“本質”以后,江穎將研究視野擴展到了離子水合物。要研究離子水合物的微觀結構和動力學行為,首先面臨的挑戰是制備單個離子水合物。

雖然得到一杯鹽水很容易,可是要在一杯鹽水里挑出單個的離子水合物卻非常困難。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。

“對此,我們經過不斷的嘗試和摸索,基于掃描隧道顯微鏡發展了一套獨特的離子操控技術,”江穎介紹道,將非常尖銳的金屬針尖用做原子、分子世界的“機械手”,能夠可控地制備單個離子水合物。

制備出的單個離子水合物團簇后,接下來需要通過高分辨成像弄清楚其幾何吸附構型。相比水分子團簇而言,離子水合物更加脆弱。對此,江穎團隊研發了一種非侵擾式原子力顯微鏡成像技術,在2018年得到了鈉離子水合物的原子層次圖像。

水合離子的概念提出一百多年來,科學家終于首次直接“看到”水合離子的原子級圖像。

 

把科研種子撒進學生心田

在水科學實驗領域接連取得的進展,使得江穎贏得了許多來自學術界的肯定。幾乎拿獎到手軟的他,非??粗氐囊环輼s譽,卻是北京大學2018年教學優秀獎。他把這份獲獎證書擺在了柜子的最高一層。

“日常工作中,科研是我的主業,教學是副業。但我還是非??粗剡@個獎項,很享受教書育人的過程。尤其是,幫助一些能力相對不那么突出的孩子,在學業上有提升,這會讓我更有成就感?!苯f說道。

為了給本科生和研究生講好《表面物理》這門課程,江穎會花很多心思去設計授課的內容和形式。在講授知識的同時,江穎也藏有一些“私心”。他希望,通過上這門課,激發同學們從事科研,尤其是基礎科研的興趣。

令江穎感到有些遺憾的是,出于一些現實原因的考慮,物理專業有一些非常聰明的學生,畢業后沒有從事相關科研工作,而是轉行到金融或其他領域。

“只有發自內心的熱愛,才能支撐他們在科研道路上走得更遠。如果能通過一門結合基礎科學理論和前沿科學進展的課程,較早地激發他們潛在的科研興趣,是我講好這門課程的最大動力?!苯f坦言。

盡管一個學期的課程終究會結束,但師生間的良好互動卻可以一直持續。課程結束后,還會不斷有學生寫信給江穎,討論在科研中碰到的一些問題。閱讀學生來信時,江穎倍感欣慰與滿足。

對未知世界的強烈好奇,推動著江穎在科研領域不斷探索新知。同時,他也想把好奇的種子更多地播撒在學生們的心田。

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責任編輯:許茜 劉義陽
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