重磅 | 北京大學(xué)研究成果入選“2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”

時(shí)間：2019-03-01 08:26  作者：  來源：

　　2019年2月27日，“2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”在北京揭曉。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎教授和王恩哥院士領(lǐng)導(dǎo)的“揭示水合離子的原子結(jié)構(gòu)和幻數(shù)效應(yīng)”研究成果入選。

頒獎(jiǎng)典禮現(xiàn)場

　　離子與水分子結(jié)合形成水合離子是自然界最為常見和重要的現(xiàn)象之一，在很多物理、化學(xué)、生物過程中扮演著重要的角色。早在19世紀(jì)末，人們就意識到離子水合作用的存在并開始了系統(tǒng)的研究。一百多年來，水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點(diǎn)，至今仍沒有定論。究其原因，關(guān)鍵在于缺乏原子尺度的實(shí)驗(yàn)表征手段以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心江穎課題組、徐莉梅課題組、化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤課題組與北京大學(xué)/中國科學(xué)院王恩哥課題組組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種基于高階靜電力的新型掃描探針技術(shù)，刷新了掃描探針顯微鏡空間分辨率的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了氫原子的直接成像和定位，在國際上首次獲得了單個(gè)鈉離子水合物的原子級分辨圖像，并發(fā)現(xiàn)水合離子的遷移率與特定水分子數(shù)目相關(guān)這一全新的動(dòng)力學(xué)幻數(shù)效應(yīng)。該工作首次澄清了界面上離子水合物的原子構(gòu)型，建立了離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，顛覆了人們對于受限體系中離子輸運(yùn)的傳統(tǒng)認(rèn)識，對離子電池、防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等很多應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義。

　　相關(guān)研究論文發(fā)表在2018年5月31日Nature[557(7707):701—705]上?！蹲匀痪C述?化學(xué)》主編David Schilter對該工作進(jìn)行了亮點(diǎn)評述，認(rèn)為這項(xiàng)研究獲得了“堪稱完美的水合離子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息”。qPlus原子力顯微術(shù)發(fā)明人Franz Giessibl教授在其綜述文章中單獨(dú)撰寫了一個(gè)章節(jié)以大篇幅圖文形式重點(diǎn)介紹了該工作。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Andre Geim教授得知這個(gè)工作后，邀請研究團(tuán)隊(duì)成員赴曼城大學(xué)交流合作，共同探索受限體系中水合離子的輸運(yùn)特性。

　　為了突破實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的瓶頸，江穎和王恩哥的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長期的鉆研和探索，發(fā)展出了一整套基于掃描探針顯微鏡（包括掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）的超高分辨成像、譜學(xué)和操縱技術(shù)，近年來在水科學(xué)領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)和理論的深度融合，澄清了若干疑難科學(xué)問題，刷新了人們對水和其他氫鍵體系的認(rèn)知。

　　他們基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了共振電子激發(fā)的原子/分子操控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)化學(xué)鍵的成鍵和斷鍵操縱（Nat.Chem. 5, 36 (2013)）；發(fā)展了針尖調(diào)制的軌道成像技術(shù)，得到世界首張亞分子級分辨的水分子圖像（Nat.Mat. 13, 184 (2014)）；利用功能化的氯離子針尖，直接觀察到水分子納米團(tuán)簇的質(zhì)子協(xié)同量子隧穿并實(shí)現(xiàn)調(diào)控（Nat.Phys. 11, 235(2015)）；發(fā)展了針尖增強(qiáng)的非彈性隧穿譜技術(shù)，獲得單鍵水平的水分子振動(dòng)譜，揭示了核量子效應(yīng)對氫鍵強(qiáng)度的影響（Science352, 321 (2016)）；發(fā)展了基于一氧化碳針尖修飾的非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)（Nat.Commun. 9, 122(2018)），可以對弱鍵合的水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行亞分子級分辨表征，并確定其本征的微觀吸附構(gòu)型（如圖所示）。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，為離子水合物的原子尺度研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　“中國科學(xué)十大進(jìn)展”遴選由科技部基礎(chǔ)研究管理中心舉辦。研究進(jìn)展由《中國基礎(chǔ)科學(xué)》《科技導(dǎo)報(bào)》《中國科學(xué)院院刊》《中國科學(xué)基金》和《科學(xué)通報(bào)》五家編輯部推薦，由兩院院士、973計(jì)劃顧問組和咨詢組專家、973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任等專家學(xué)者經(jīng)過初選和終選兩輪投票選出。該項(xiàng)活動(dòng)旨在加強(qiáng)對我國重大基礎(chǔ)研究進(jìn)展的宣傳，激勵(lì)廣大科技工作者的科學(xué)熱情和奉獻(xiàn)精神，促進(jìn)公眾更加理解、關(guān)心和支持科學(xué)，在全社會營造良好的科學(xué)氛圍。該項(xiàng)活動(dòng)已成為我國基礎(chǔ)研究傳播工作的一個(gè)品牌，在科技界產(chǎn)生了良好反響。

　　此次入選“2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”的還有：基于體細(xì)胞核移植技術(shù)成功克隆出獼猴；創(chuàng)建出首例人造單染色體真核細(xì)胞；揭示抑郁發(fā)生及氯胺酮快速抗抑郁機(jī)制；研制出用于腫瘤治療的智能型DNA納米機(jī)器人；測得迄今最高精度的引力常數(shù)G值；首次直接探測到電子宇宙射線能譜在1TeV附近的拐折；創(chuàng)建出可探測細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)相互作用的納米和毫秒尺度成像技術(shù)；調(diào)控植物生長-代謝平衡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展；將人類生活在黃土高原的歷史推前至距今212萬年。