圖為鈉離子水合物在NaCl表面輸運的幻數(shù)效應(yīng)。a，第一性原理計算得到的不同離子水合物擴散的勢壘；b，第一性原理計算得到的含有三個水分子的鈉離子水合物的擴散過程；c，分子動力學(xué)模擬得到的不同離子水合物在225K-300K下1ns時間內(nèi)擴散的均方位移。

圖為鈉離子水合物在NaCl表面輸運的幻數(shù)效應(yīng)。a，第一性原理計算得到的不同離子水合物擴散的勢壘；b，第一性原理計算得到的含有三個水分子的鈉離子水合物的擴散過程；c，分子動力學(xué)模擬得到的不同離子水合物在225K-300K下1ns時間內(nèi)擴散的均方位移。

研究不僅得到了水合離子的原子級分辨圖像，研究人員還利用帶電的針尖作為電極，通過非彈性電子激發(fā)控制單個水合離子在NaCl表面上的定向輸運，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)：包含有特定數(shù)目水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴散能力，遷移率比其他水合物要高1-2個量級，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率。

結(jié)合第一性原理計算和經(jīng)典分子動力學(xué)模擬，科研人員發(fā)現(xiàn)這種幻數(shù)效應(yīng)來源于離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度。具體來說，包含1、2、4、5個水分子的離子水合物總能通過調(diào)整找到與NaCl襯底的四方對稱性晶格匹配的結(jié)構(gòu)，因此與襯底束縛很緊，不容易運動；而含有3個水分子的離子水合物，卻很難與四方對稱性的NaCl襯底匹配，因此會在表面形成很多亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，再加上水分子很容易圍繞鈉離子集體旋轉(zhuǎn)，使得離子水合物的擴散勢壘大大降低，遷移率顯著提高。分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，這一幻數(shù)效應(yīng)可以在很大一個溫度范圍內(nèi)存在（包括室溫）。此外，他們還發(fā)現(xiàn)這種動力學(xué)幻數(shù)效應(yīng)具有一定的普適性，適用于相當(dāng)一部分鹽離子體系。

此次研究成果有何重要意義？江穎表示，水溶液中的離子輸運研究長期以來都是基于連續(xù)介質(zhì)模型，而忽略了離子與水相互作用以及離子水合物和界面相互作用的微觀細(xì)節(jié)。該研究首次建立了離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，刷新了人們對于受限體系中離子輸運的傳統(tǒng)認(rèn)識。“研究結(jié)果表明，可以通過改變表面晶格的對稱性和周期性來控制受限環(huán)境或納米流體中離子的輸運，從而達(dá)到選擇性增強或減弱某種離子輸運能力的目的，這對很多相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義，比如：離子電池、防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等等。”此外，記者了解到，該研究展的實驗技術(shù)也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應(yīng)用到更多更廣泛的水合物體系，開辟全新的研究領(lǐng)域。

《自然》雜志三個不同領(lǐng)域?qū)徃迦艘恢抡J(rèn)為該成果“會馬上引起理論和應(yīng)用表面科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣”（The results presented in this manuscript are of immediate interest to the communities dealing with theoretical and applied surface science），“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”（This result may open a venue for controlling diffusion transport on nano-engineered crystal surfaces and it may be also extended to other hydration systems）。