我國科學家在離子溶液水分子動力學研究中取得

為您介紹我國科學家在離子溶液水分子動力學研究中取得進展。溶液中的離子與溶劑的相互作用是一個在能源、催化、材料、醫藥等許多國民經濟重要領域受到寬泛關注的基本科學問題。例如，新近出現的水基堿金屬離子電池使用高濃度的離子水溶液作為電解液，與常規離子蓄電池相比，更加安全，價格更低廉，效率更高。深刻了解溶液中離子與周圍水分子之間的相互作用和關聯，對深刻了解電池中電極界面電化學和電荷輸運效率的分子機制，并進而設計更為高效的電池，具有至關重要的領導意義。又如在許多均相或固液非均相催化反應體系中存在各種離子配體(例如I-等)，不同條件下同一種離子對功能基元中發生的反應能夠起到從毒化到促進的各種截然不同的作用。對這些作用的結構成因的微觀描述，對了解功能基元的作用機理及其相互協同機制意義重大。

溶液離子效應研究

在對溶液離子效應的研究中有一個極具爭議的基本問題，即如何了解陽離子對水分子動力學行為的影響。對于這一問題，各種不同的實驗伎倆往往給出不同的圖像。例如，對于Na+和K+這兩種極其相似的堿金屬離子，中子散射實驗測量到它們對水具有類似的結構破壞作用，因而認為它們都會使水的轉動運動加快；而核磁共振與超快激光光譜動力學實驗則檢測到Na+會減慢，而K+會加速水分子旋轉。對這一問題的深刻了解由于這兩種堿金屬離子在能源、電化學和生命科學中的顯著作用而變得尤為重要。

溶液離子效應水分子實驗現象

在中國除草安全劑科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金重點與面上項目標資助下，中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室莊巍課題組通過與北京大學超快激光譜學實驗團隊的合作，在理論上解釋了上述矛盾現象的成因。在大規模經典與量子分子動力學模仿計算的基礎上，聯合Extended Ivanov Jump理論解析模型，他們發現這兩種離子都會由于破壞水的氫鍵而加速相鄰水分子的大幅角跳躍旋轉，與中子散射實驗結果一致。另一方面，它們對于水分子的擴散動力學卻有著不同的影響：Na+會減慢水的擴散旋轉，而K+則會促進這一旋轉，與動力學實驗結果一致。上述結論為解釋兩類實驗觀測論斷之間的明顯矛盾提供了合理的圖像，相關研究成果發表在《化學科學》（Chemical Science）雜志上（DOI:10.1039/C6SC03320B）。

這一工作是該課題組自2010年起在這一方向上系列相關研究的最新進展，之前的研究成果包括與超快譜學實驗聯合發現即便在較低濃度的強電解質溶液中仍存在著離子團簇化現象 (PNAS 108,4737, 2011)，并由于這一發現對于教科書中的經典圖像的顛覆性意義而被《科學》雜志專文報道(DOI: 10.1126/science.331.6024.1495-a)。