研究亮点: 1.实现了精确控制水分子一个一个地结合到单个Na+上的分子操纵。 2.揭示了具有特定数目水合数的水合离子的扩散速率,取决于水合离子和表面晶格之间的对称匹配度。 水合离子在二维层间以及碳纳米管等纳米尺度的限域空间内的传递现象,广泛存在于自然界和生物体系。这种纳米限域的传递行为与体相空间内的传递行为截然不同,研究其背后的发生机理,从原子和分子的角度理解离子和水分子、界面之间的竞争作用,不仅有趣,而且也是将其应用到实际社会中的基础。 有鉴于此,北京大学Li-Mei Xu, Yi QinGao, En-Ge Wang 和Ying Jiang团队合作,系统研究了离子水合数对于离子传递速率的影响。 图1. Na+水合物的高分辨STM/AFM成像 Na+在自然界和生物体系广泛存在,具有很好的代表性。研究人员利用STM和非接触式AFM操作系统,实现了精确控制水分子一个一个地接触到NaCl(001)面上的单个Na+上,得到了水合数分别为1-5的5种水合Na+。研究结果发现:带有3个水的水合Na+传递速率是其他类型水合Na+的数十倍。 第一原理计算表明,这种高扩散速率是因为Na+周围的三个水分子只需要克服极小的能垒,就能够共同选择,从而形成亚稳态。而其他水合数的Na+需要克服的能垒都要大得多。经典分子动力学模拟则表明,这种情况即便在室温条件下也适用。 图2. 针尖诱导Na+水合物的扩散动力学 总之,这项研究揭示了具有特定数目水合数的水合离子的扩散速率,取决于水合离子和表面晶格之间的对称匹配度。 Jinbo Peng, Li-Mei Xu, Yi Qin Gao,En-Ge Wang, Ying Jiang et al.The effect of hydration number on the interfacialtransport of sodium ions. Nature 2018.
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