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央视报道北大量子材料中心江颖等在水科学领域的研究成果

 2014114日,中央电视台《新闻直播间》以“我科学家首次拍摄到水分子内部结构”为题对北京大学量子材料中心江颖课题组和王恩哥课题组在水科学领域的合作研究成果进行了专题报道。报道指出,研究人员首次实现了单个水分子内部自由度的实空间成像,使得在实验中直接解析水在表面上通过氢键相互作用形成的微观结构成为可能。

报道链接:http://news.cntv.cn/2014/01/14/VIDE1389678841821535.shtml

 

附报道内容:

 

水是人们日常生活中最常见的物质。但有关“水”的奥秘,人类还有很多没有解开。比如说,水分子到底长什么样?我们从课本上也知道,它是由两个氢原子和一个氧原子构成的。但它们究竟是如何形成水分子的,在实验室里一直是个谜。日前,我国科学家——北京大学江颖课题组和王恩哥课题组共同解开了这一世界难题,首次拍摄到了水分子的内部结构。这一科研成果已在世界权威科学杂志《自然-材料》上发表。

 

“这是我们在国际上首次拍摄到的一张水分子内部的(轨道)结构图,大家可以看到有一个很明显的阴影,有一个小缝,这条缝实际上是对应水分子的(两个)氢氧键形成的平面,那么这两个花瓣状的东西实际上是对应水分子的轨道形成的电子云。通过这样一个轨道图我们可以确定水分子它是站立在盐表面上,而不是平躺在表面上,这样就能够确定水分子在(盐)表面上的取向。”

 

给水分子拍照不是一件容易的事,因为它实在是太小了,直径只有一根头发丝的百万分之一,而且在液态情况下,流动性非常强。拍照的第一个难题,就是给它选择一个合适的背景。由于拍摄仪器的要求,这个背景还得能导电才行。以前,科学家一般选取的是以金属作为衬底,把水直接放在金属上进行观察。用这样的方法,此前世界各国的科学家拍到的水分子照片,最多只是模糊的外形——“一个没有任何内部结构的圆形凸起”。这次我国科学家选取了绝缘的氯化钠薄膜作为拍摄的背景,让水分子吸附在盐的表面进行观察,通过超高分辨的扫描隧道显微镜系统,捕捉到水分子更清晰的面貌。

 

“以前的实验主要是用金属来做衬底,水分子和金属之间有很强的相互作用,水分子的轨道就会被金属的电子态所淹没,我们就很难对水分子进行高分辨的成像。(现在)我们想要看到的实际上是水分子在盐(氯化钠)表面上吸附的形貌和它的具体结构。我们在金属和水(分子)中间插入了一层绝缘体(氯化钠薄膜),从而使水分子本征的轨道结构得以保留。”

 

普普通通的一滴水中,就有无数个水分子。那么,这些水分子是怎么凑在一起,变成我们看得见摸得着的水呢?我国科学家给水分子拍照的时候,在这一点上也有重要的发现。

 

此前,科学家们已经知道,水分子和水分子之间是由氢键相连的,氢键的构型和方向性决定了水的很多特性。我国科学家不仅拍摄到单个水分子的结构,还拍到了由四个水分子组成的水团簇,并且发现,水分子之间通过氢键连接的时候,存在着一定的方向性。

 

“它(水分子团簇)有两种氢键的方向性,一种是逆时针的方向性,另外一种是顺时针的方向性,我们通过轨道成像能够判断水分子的内部结构和取向,从而首次把这两种不同的氢键方向性直接在实验上定下来。”

 

水分子内部结构长什么样,水分子和水分子之间如何连接,它们在不同的固体表面,又有怎样不同的变化,我国科学家开展的这些研究,都有助于人们利用和改变水的特性,在现实生活中有广泛的应用。

 

“我举个例子,就比如说大家现在比较关注的PM2.5,本质上它是一个微米级的粉尘(凝结核),外面(通常)包裹了一层水。如果水的含量是在80%以上,我们把这个叫做雾,如果水的含量是在80%以下的话,我们把它叫做霾。如果我们(通过高分辨率成像)能够把(粉尘)表面的这一层(水的)微观结构解析出来的话,我们就有可能给环境科学家一些指导,让他们能够对症下药,针对性的采取一些化学或物理的办法使得PM2.5的粉尘能够直接沉降到地面,或者分解掉。”