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我国科学家掀起水分子的“盖头”,破解本世纪最具挑战的科学问题之一
时间:2019-07-07 09:49:37    来源:科技日报    作者:唐婷    

    在日常生活中,水实在是再普通常见不过的物质了。但熟悉的东西,人们却未必真正地了解。dQ9中国通讯社

    “水的结构如何”,曾被《科学》杂志列为本世纪125个最具挑战性的科学问题之一。dQ9中国通讯社

    在十年前的一次学术报告会上,来自英国的一位水科学领域资深教授的报告内容,给北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖留下了深刻的印象。长期以来,关于水结构的理论研究有很多,但从实验层面来看,鲜有相关的结果能和理论对其进行直接对比和验证。dQ9中国通讯社

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    “会后交流时,我问为什么实验跟不上理论的发展,那位教授回答说,水科学研究的实验难度太大了。当时,我就想,我们应该在实验领域做一点事情。”江颖回忆道。dQ9中国通讯社

    选择迎难而上的江颖,和他所在的团队一道,逐步逼近水的“真相”。首次拍摄到水分子内部结构、首次看到水合钠离子的原子级“真面目”……他们的研究发现,不断地刷新人们对于水的认知。dQ9中国通讯社

    近日,由于其突出的科研表现,江颖荣获第十五届中国青年科技奖。dQ9中国通讯社

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    让“隐形”的氢原子显形dQ9中国通讯社

    初中化学课上,老师们讲过,水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。听上去,水的分子结构似乎很简单。可要在显微镜下真正看到水分子的结构,并非易事。dQ9中国通讯社

    “在化学元素周期表上排第一的氢,它的质量和尺寸都非常的小,就像是一个‘隐形’的原子一样,想在显微镜下捕捉到它并为其成像非常困难。”江颖说道。dQ9中国通讯社

    在美国做博士后研究时,扫描探针显微术是江颖主要的研究手段之一。通过探测电流扫描探针显微镜能够对物质表面的形貌进行表征,分辨率可达到原子级别。dQ9中国通讯社

    通常,光学显微镜的分辨率能达到几百纳米的量级,而扫描探针显微镜的分辨率能小于一个纳米。在分辨率上,后者比前者要高3个量级。借助扫描探针显微技术,能否让氢原子显形?dQ9中国通讯社

    说干就干。江颖和团队成员立马开始着手设计实验。在液态情况下,水的流动性非常强。想要对单个水分子成像,需要让它能稳定地待在某种物质的表面上,也就是说,要找到合适的衬底。dQ9中国通讯社

    过去,科学家一般采用金属作为衬底,把水直接放在金属表面上进行观察。采用这种方法,拍摄到的水分子照片,最多只能拍出其模糊的外形——一个没有任何内部结构的圆形凸起。dQ9中国通讯社

    为了拍到水分子的“高清图”,江颖团队另辟蹊径,在金属和水分子中间插入了一层绝缘的氯化钠薄膜。dQ9中国通讯社

    氯化钠可以牢牢地“抓”住单个水分子,同时减弱了水分子与金属衬底之间的耦合,从而帮助科学家观测并拍摄到水分子吸附在氯化钠表面上的形貌和水分子的具体结构。dQ9中国通讯社

    功夫不负有心人。2013年,江颖团队在实验室里首次观测并拍摄到了单个水分子的内部结构,看到了氢原子和氧原子在水分子里是如何排列的。dQ9中国通讯社

    “当时大家都非常兴奋。在拍到单个水分子的同时,我们还拍到了由4个水分子组成的水团簇。”江颖回忆道,他们发现水分子之间通过氢键连接的时候,存在着一定的方向性,对水分子之间的网络结构的形成有了更多的了解。dQ9中国通讯社

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值班总编:陌非 责任编辑:子予dQ9中国通讯社

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