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江颖课题组在Journal of Chemical Physics上发表“展望”文章

  最近,北京大学量子材料科学中心江颖课题组受邀在Journal of Chemical Physics的Spotlights专栏上发表题为“Structure and dynamics of water at surfaces probed by scanning tunneling microscopy and spectroscopy”[J. Chem. Phys. 145, 160901 (2016)] 的“展望”(Perspective)文章,介绍最近十年来,扫描隧道显微镜技术(STM)在表/界面水科学的应用,并对未来的研究方向及挑战进行展望。Journal of Chemical Physics是物理化学领域的国际性权威杂志,具有很大的影响力,尤其是Spotlights专栏主要发表物理化学领域热点研究方向的综述性文章,受关注度极高。该栏目通常只邀请相关领域的资深专家和院士,其中也包括不少诺贝尔奖获得者,比如:南加州大学的Arieh Warshel教授,加州理工大学的Ahmed H. Zewail教授,康奈尔大学的Roald Hoffmann教授等。

  表/界面水在人们日常生活中无处不在,表/界面水的研究是一项综合性前沿研究,涉及多学科的交叉,在物理学、化学、生命科学、环境科学、能源科学、晶体工程、材料科学等基础和应用领域中都扮演着重要的角色。表/界面水研究的常规手段是光谱、核磁共振、X射线衍射、中子散射等谱学和衍射技术。然而,这些研究手段的空间分辨能力都局限在几百纳米到微米的量级,无法得到原子尺度的信息。为了弥补这些不足,本世纪初,扫描探针显微镜技术(SPM)开始被应用于表/界面水的单分子级分辨探测,获得了很多传统谱学技术所忽略的微观细节,并澄清了不少争论多年的科学问题。

  江颖课题组长期致力于超高分辨的扫描探针显微镜系统的自主研发,近年来在表/界面水的研究中取得了一系列突破:首次实现单个水分子内部自由度的成像和水的氢键网络构型的直接识别[Nature Materials 13, 184 (2014) 和 Nature Communications 5, 4056 (2014) ];直接观察到了质子在氢键网络内的协同量子隧穿过程[Nature Physics 11, 235 (2015)];首次在单键水平上测定了氢键的量子成分,并揭示了水的核量子效应 [Science 352, 321 (2016)]。此次应邀发表的综述从成像、谱学和操纵三个方面总结了扫描隧道显微技术在水/固界面的结构、动力学及核量子效应研究的最新进展。同时,也提出研究更加复杂、真实水体系的可能性,例如:受限水、块体冰、水合物等。此外,该综述还展望了几种全新的扫描探针技术,它们将有助于突破传统扫描探针技术在样品、探测环境、时间分辨、干扰性等方面的局限,从而开辟表/界面水研究的新途径。
相关工作得到了国家自然科学基金委、科技部、万人计划和量子物质科学协同创新中心的经费支持。博士后郭静为文章的第一作者。特别感谢理论计算方面的合作者:北京大学王恩哥院士、李新征研究员、徐莉梅研究员和华中科技大学吕京涛教授。
 
 
  文章链接: http://dx.doi.org/10.1063/1.4964668