“水是世界上最常见、也是非常复杂的物质。最近，我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如何形成的，发现在二维极限下冰的结构与石墨烯很相似……”前不久，在第二届世界顶尖app家青年论坛上，北京大学物理学院量子材料app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，还有哪些未解之谜？

从原子尺度“窥视”水的结构以及水合离子的结构，捕捉水分子与离子如何“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如何运动的。这对于改良锂离子电池、提高海水淡化效率、治理雾霾等，都能起到一定的促进作用。

从一池盐水中抓取到单个水合离子

明升m88离不开水，但水之于明升m88就像一个隐形的朋友，它时刻相伴左右，我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app中心教授江颖接受科技日报记者采访时介绍，水与其他物质的相互作用非常复杂。例如，水作为溶剂能使很多盐溶解，盐里的钠离子、钾离子会被水分子一个个拽出来，被水分子包围，离子和水分子就形成了一个个的水合离子。“但是，这些离子周围包裹了几层水分子，这些水分子的数目和结构是怎样的，它们在离子周围是如何分布的，又是如何运动的，水合离子对水的氢键结构有什么影响，困扰了国内外app家100多年。”

要看清楚水合离子的结构和运动规律，面临的巨大挑战之一，就是如何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，他们首先将直径约20微米、相当于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表面移动，抓取单个钠离子，再用带有钠离子的针尖扫描水分子，形成含有一个水分子的钠离子水合物，然后拖动其他水分子与钠离子水合物结合，便得到含有不同水分子数目的钠离子水合物。

改良音叉做探针，看到“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，便需要通过高分辨成像看清楚水合离子的结构。

一个偶然的机会，江颖受“qPlus原子力显微镜技术”的启发，琢磨上了音叉。“上音乐课的时候，老师会拿着音叉让大家辨音，音叉质量，叉臂长短、粗细的差异，会导致它们发出不同的声音。如果把音叉的一个叉臂连上针尖，用针尖和水合离子发生作用，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确定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，江颖团队将音叉的结构做成不对称的形状，一个叉壁厚，一个叉壁薄，以提高信噪比，降低力的耗散。最终，探针可以探测到皮牛级的力，灵敏度和分辨率均处于国际领先水平，依靠极其微弱的高阶静电力，可以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，江颖团队成功确定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可以精确确定，就连水分子的微小变化都可直接识别。这是人们首次在实空间得到离子水合物的原子层次图像。

而随后对水合离子输运规律的研究发现，包含有特定数目水分子的钠离子水合物，在氯化钠晶体表面运动时，似乎患上了“多动症”，运动速度比其他水合物要高10—100倍。

具体来说，包含1、2、4、5个水分子的钠离子水合物容易被氯化钠晶体表面“捕捉”，而含有3个水分子的离子水合物，却很难与四方对称性的氯化钠衬底匹配，所以在晶格表面“蹦蹦跳跳”。“这种幻数效应有一定的普适性，适用于相当一部分盐离子体系。”江颖说。

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，正在给我们带来惊喜。江颖表示，目前，他们正在和合作者尝试研发一种“水系锂离子电池”，通过调配锂离子和水比例，形成一种稳定的离子水合结构，生成新的电解液，提高电池的安全性，避免电池爆炸。“目前的难点在于，电池的电压不能太高，例如通常的水系离子电池施加1.23伏以上的电压，水就会分解，导致电池失效。”

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，会形成一种特殊的链状结构，施加2伏以上的电压，水也不会分解。“而且这种结构在金属和石墨的表面都能形成，这为更安全的新型电解液的研发提供了新的思路。”

海水淡化也有可能更加高效。“海水淡化，主要是将海水中的盐离子去掉，变成淡水。如果知道离子周围的水是如何与其结合的，就可以想办法让他们分离，还可以尝试利用幻数效应，设计一些特殊结构的孔道，让离子快速跑掉，让水留下来。”江颖透露，目前，他们正在研究氧化石墨烯表面如何亲水、脱水，尝试用这种材料来过滤海水。

初冬来临，一呼一吸间，雾霾颗粒可能进入人体。在江颖看来，不同性质的雾霾颗粒及其表面结构，决定了包裹其的水层和水分子的结构不同，这都将影响雾霾颗粒的生长和聚集，以及雨和雪的形成，而如果能发现水合离子的结构和形成规律，就可以反其道而行之，破坏掉这些结构，抑制雾霾的形成。