近年来，王恩哥、江颖等团队发展了原子水平上的高分辨扫描探针技术和针对轻元素体系的全量子化计算方法，在水/冰的结构和动力学研究中得到了成功应用，刷新了人们对水和其他氢键体系的认知，这些工作为水合物的原子尺度研究打下了坚实的基础。

如何获得单个离子水合物并得到稳定图像，是研究离子水合物的两大挑战

要研究离子水合物的微观结构和动力学行为，首先面临的巨大挑战是：如何在实验上获得单个离子水合物。

江颖说：“虽然得到离子水合物非常容易，比如把盐倒入水中即可，但是这些离子水合物相互聚集、相互影响，水合结构也在不断变化，不利于高分辨成像。所以，要得到适合扫描探针显微镜研究的单个离子水合物是一件非常困难的事。”

为了解决这一难题，研究人员发展了一套独特的离子操控技术，来可控地制备单个离子水合物。

实验制备出单个离子水合物后，接下来需要通过高分辨成像弄清楚其几何吸附构型。然而，对离子水合物进行高分辨成像也面临着巨大的挑战。江颖说：“由于离子水合物属于弱键合体系，比水分子团簇更加脆弱，因此针尖很容易扰动离子水合物，从而无法得到稳定的图像。”

为了克服上述困难，研究人员发展了基于一氧化碳针尖修饰的非侵扰式原子力显微镜成像技术，可以依靠极其微弱的高阶静电力来扫描成像。他们将此技术应用到离子水合物体系，首次获得了原子级分辨成像，并结合第一性原理计算和原子力图像模拟，成功确定了其原子吸附构型。

江颖说：“从图中我们可以看到，不仅是水分子和离子的吸附位置可以精确确定，就连水分子取向的微小变化都可以直接识别。这也是水合离子的概念提出100多年来，首次在实空间直接‘看到’水合离子的原子级图像。”

研究人员通过非弹性电子激发控制单个水合离子在NaCl表面上的定向输运，还发现了一种有趣的幻数效应：包含有特定数目水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力，迁移率比其他水合物要高1—2个量级，甚至远高于体相离子的迁移率。

王恩哥说：“之后的第一性原理计算和分子动力学模拟结果表明，这一幻数效应来源于离子水合物与表面晶格的对称性匹配程度，可以在很大一个温度范围内存在，包括室温。此外，我们还发现这种动力学幻数效应具有一定的普适性，适用于相当一部分盐离子体系。”

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