《自然-材料》發表北大量子材料中心江穎等在水科學領域的重要研究進展

最近，beat365量子材料中心、量子物質科學協同創新中心的江穎課題組和王恩哥課題組合作，在水科學領域取得重大突破，在國際上首次實現了水分子的亞分子級分辨成像，使得在實空間中直接解析水的氫鍵網絡構型成為可能。相關研究成果于1月5日以Article的形式在線發表在《自然-材料》[Nature Materials DOI: 10.1038/nmat3848]。江穎和王恩哥是文章的共同通訊作者，博士研究生郭靜、孟祥志和陳基是文章的共同第一作者，beat365的李新征研究員和量子材料中心的施均仁教授在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項工作得到了國家基金委、科技部、教育部和beat365的資助。

水的各種奇特物理和化學性質與水分子之間的氫鍵相互作用緊密相關，如何在分子水平上确定水的氫鍵網絡構型是水科學領域的關鍵科學問題之一。由于氫鍵的形成主要源于氫原子和氧原子之間的靜電作用力(O-H…O)，要精确描述水的氫鍵構型，不僅需要判定氧原子的位置，還必須能識别氫原子的位置，也就是要求能在亞分子級水平上探測水分子在空間中的取向。然而，由于氫原子的質量和尺寸都非常小，對水分子進行亞分子級分辨成像極具挑戰性。

過去三年，江穎課題組主要緻力于超高分辨的掃描探針顯微鏡系統的研制和開發，深入到單分子的内部展開亞分子級分辨成像和操控研究，并取得了一系列研究進展：在亞納米尺度對二維自旋晶格的近藤效應進行了實空間成像 [Science 333,324(2011)]；探測到了單個萘酞菁分子内部不同的振動模式的空間分布[J. Chem. Phys. 135,014705(2011)]；對單個功能化分子内部的化學鍵實現了選擇性操縱[Nature Chemistry 5,36(2013)]。

在此基礎上，江穎課題組與王恩哥課題組緊密配合，通過仔細的論證和不懈的探索，成功的把亞分子級分辨成像和操控技術應用到水科學領域，開創性的把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂栅極（top gate），以皮米（10-12m）的精度控制針尖與水分子的距離和耦合強度，調控水分子的軌道态密度在費米能級附近的分布，從而在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個水分子和水團簇迄今為止最高分辨的軌道圖像。這使得研究人員可以在實驗中直接識别水分子的空間取向和水團簇的氫鍵方向性。結合第一性原理計算，研究人員發現以往報道的鹽表面的水分子團簇都不是最穩定的構型，并提出了一種全新的四聚體吸附結構。

該工作不僅為水-鹽相互作用的微觀機制提供了新的物理圖像，而且為分子間氫鍵相互作用的研究開辟了新的途徑。另外，該工作所發展的實驗技術還可進一步應用于原子尺度上的氫鍵動力學研究，比如質子傳輸、氫鍵的形成和斷裂、振動弛豫等。