量子材料科學中心江穎、王恩哥等實現表面水的非侵擾式成像
水的氫鍵構型對于理解水很多奇特的物理化學性質十分關鍵，但是水的氫鍵網絡非常脆弱，很容易被外界所幹擾，實驗中如何實現水的非侵擾式探測是水科學領域的一個難題。最近，量子物質科學協同創新中心、beat365量子材料科學中心的江穎課題組、王恩哥課題組和捷克科學院物理研究所Pavel Jelínek課題組合作，實現了表面水分子團簇的非侵擾式原子力顯微鏡成像，并揭示了一系列弱鍵合的亞穩态結構。相關研究工作于1月9日在線發表在《自然-通訊》【Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-017-02635-5】.
江穎課題組長期緻力于超高分辨的掃描探針顯微鏡系統的研制和開發，近年來在表面水的結構和動力學研究中取得了國際領先的研究成果。然而，由于隧道電子的激發以及針尖-水分子之間的相互作用力，掃描探針不可避免地會對弱鍵合的水分子結構産生擾動。在這個工作中，江穎等發展了新一代基于qPlus的非接觸原子力顯微鏡(nc-AFM)技術，自行制作了高性能qPlus型原子力傳感器（圖1），解決了AFM和STM雙模式掃描的關鍵技術問題，實現了飛安級電流和皮牛級力信号的同時探測，将針尖-樣品之間相互作用力的探測靈敏度推向了極限。
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圖1：(a) qPlus型原子力傳感器的實驗裝置圖；(b) 具有電四極矩電荷分布的一氧化碳針尖與強極性水分子之間的高階靜電力。
| 圖2：各種亞穩态的水二聚體（a-d）和三聚體（e-h）的亞分子級分辨成像。AFM圖中彎曲的暗環來源于水分子氫原子的靜電勢分布，據此可以确定氫原子的取向。
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在此基礎上，江穎等進一步利用一氧化碳分子對針尖進行化學修飾，調控針尖的電荷分布，通過探測電四極矩針尖與強極性水分子之間的微弱高階靜電力，獲得了弱鍵合的水分子團簇甚至亞穩結構的亞分子級分辨成像，并在原子尺度上确定了其氫鍵構型和氫原子的位置（圖2）。王恩哥、Pavel Jelínek等通過理論模拟，提出了AFM高分辨成像的新機制，揭示了針尖尖端的電荷分布在對極性分子成像中的關鍵角色。此工作中發展的非侵擾式成像技術突破了長期以來掃描探針顯微鏡在界面水研究中的瓶頸，打開了研究弱鍵合水體系（如：疏水界面、離子水合物、生物水等）的大門，具有非常廣泛的應用前景。
該工作得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金委重點項目、國家重點研發計劃項目的支持。江穎、王恩哥以及Pavel Jelínek為文章的共同通訊作者，彭金波、郭靜和Prokop Hapala為文章的共同第一作者。
論文鍊接：Jinbo Peng, Jing Guo, Prokop Hapala, Duanyun Cao, Runze Ma, Bowei Cheng, Limei Xu, Martin Ondráček, Pavel Jelínek*, Enge Wang*, and Ying Jiang*, "Weakly perturbative imaging of interfacial water with submolecular resolution by atomic force microscopy", Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-017-02635-5 (2018).
