重磅 | 北京大学研究成果入选“2018年度中国科学十大进展”
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2019年2月27日，“2018年度中国科学十大进展”在北京揭晓。北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授和王恩哥院士领导的“揭示水合离子的原子结构和幻数效应”研究成果入选。
离子与水分子结合形成水合离子是自然界最为常见和重要的现象之一，在很多物理、化学、生物过程中扮演着重要的角色。早在19世纪末，人们就意识到离子水合作用的存在并开始了系统的研究。一百多年来，水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点，至今仍没有定论。究其原因，关键在于缺乏原子尺度的实验表征手段以及精准可靠的计算模拟方法。
北京大学物理学院量子材料科学中心江颖课题组、徐莉梅课题组、化学与分子工程学院高毅勤课题组与北京大学/中国科学院王恩哥课题组组成的联合团队，开发了一种基于高阶静电力的新型扫描探针技术，刷新了扫描探针显微镜空间分辨率的世界纪录，实现了氢原子的直接成像和定位，在国际上首次获得了单个钠离子水合物的原子级分辨图像，并发现水合离子的迁移率与特定水分子数目相关这一全新的动力学幻数效应。该工作首次澄清了界面上离子水合物的原子构型，建立了离子水合物的微观结构和输运性质之间的直接关联，颠覆了人们对于受限体系中离子输运的传统认识，对离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等很多应用领域都具有重要的潜在意义。
相关研究论文发表在2018年5月31日Nature[557(7707):701—705]上。《自然综述•化学》主编David Schilter对该工作进行了亮点评述，认为这项研究获得了“堪称完美的水合离子结构和动力学信息”。qPlus原子力显微术发明人Franz Giessibl教授在其综述文章中单独撰写了一个章节以大篇幅图文形式重点介绍了该工作。2010年诺贝尔物理学奖获得者Andre Geim教授得知这个工作后，邀请研究团队成员赴曼城大学交流合作，共同探索受限体系中水合离子的输运特性。
为了突破实验技术上的瓶颈，江颖和王恩哥的研究团队进行了长期的钻研和探索，发展出了一整套基于扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）的超高分辨成像、谱学和操纵技术，近年来在水科学领域得到了成功的应用，通过实验和理论的深度融合，澄清了若干疑难科学问题，刷新了人们对水和其他氢键体系的认知。
(b)具有电四极矩电荷分布的一氧化碳针尖与强极性水分子之间的高阶静电力。
实验仪器：扫描探针显微镜
扫描探头
他们基于扫描隧道显微镜发展了共振电子激发的原子/分子操控技术，实现了对单个化学键的成键和断键操纵（Nat.Chem. 5, 36 (2013)）；发展了针尖调制的轨道成像技术，得到世界首张亚分子级分辨的水分子图像（Nat.Mat. 13, 184 (2014)）；利用功能化的氯离子针尖，直接观察到水分子纳米团簇的质子协同量子隧穿并实现调控（Nat.Phys. 11, 235(2015)）；发展了针尖增强的非弹性隧穿谱技术，获得单键水平的水分子振动谱，揭示了核量子效应对氢键强度的影响（Science352, 321 (2016)）；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（Nat.Commun. 9, 122(2018)），可以对弱键合的水分子团簇结构进行亚分子级分辨表征，并确定其本征的微观吸附构型（如图所示）。这些实验技术的发展，为离子水合物的原子尺度研究打下了坚实的基础。
“中国科学十大进展”遴选由科技部基础研究管理中心举办。研究进展由《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》五家编辑部推荐，由两院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者经过初选和终选两轮投票选出。该项活动旨在加强对我国重大基础研究进展的宣传，激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，促进公众更加理解、关心和支持科学，在全社会营造良好的科学氛围。该项活动已成为我国基础研究传播工作的一个品牌，在科技界产生了良好反响。
此次入选“2018年度中国科学十大进展”的还有：基于体细胞核移植技术成功克隆出猕猴；创建出首例人造单染色体真核细胞；揭示抑郁发生及氯胺酮快速抗抑郁机制；研制出用于肿瘤治疗的智能型DNA纳米机器人；测得迄今最高精度的引力常数G值；首次直接探测到电子宇宙射线能谱在1TeV附近的拐折；创建出可探测细胞内结构相互作用的纳米和毫秒尺度成像技术；调控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展；将人类生活在黄土高原的历史推前至距今212万年。
团队介绍
江颖：
北京大学物理学院博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者。主要从事凝聚态物理和物理化学研究，重点关注原子尺度上的物性及非平衡超快动力学过程。近年来，研发了一套超高分辨扫描探针显微成像和谱学技术，在单量子态的精准探测和操控研究方面取得了一系列突破性成果。发表论文40余篇，其中包括《科学》2篇、《自然》1篇、《自然》子刊7篇。曾入选国家首批“万人计划”青年拔尖人才（2012）、英国皇家物理学会IOP-JPhys Emerging Leaders（2016）、教育部“长江学者奖励计划”青年学者（2017），“万人计划”科技创新领军人才（2018）。曾获国家杰出青年科学基金资助（2017），陈嘉庚青年科学奖（2018），中国青年科技奖（2018）。其研究成果曾入选中国十大科技进展新闻（2016，2018）和中国科学十大进展（2017）。
徐莉梅：
北京大学物理学院量子材料科学中心教授。2011年入选中组部“青年千人划”，2015年获得国家杰出青年基金。主要从事软凝聚态物理和统计物理理论与计算方面的研究。研究方向包括：相变与临界现象、平衡与非平衡体系的结构与动力学、受限与界面水特性等。相关工作在Chemical Reviews，PNAS，Nature子刊，PRL等期刊发表，并受邀在国际会议做大会和主题报告30余次。其中在临界相变和水的特性研究等方面的工作曾被Thomson Reuters 选为物理类杂志论文的科技前沿（Emerging Research Fronts in Physics）。
高毅勤：
北京大学化学与分子工程学院教授。2008年入选教育部长江学者特聘教授，2011年获国家杰出青年基金资助。2012年入选教育部创新团队学术带头人，2014入选科技部“创新人才推进计划”、“中青年科技创新领军人才”。主要研究领域是理论和计算化学。致力于发展理论与计算方法研究染色质结构和生物功能，生物分子的溶液构象，生物酶催化机制和化学反应中的溶剂化效应。曾获PopleMedal, 日本化学会Keynote Lecturer奖，美国Searle Scholar，Dreyfus新教授奖和Clauser Prize等。目前担任ACS Central Science, Chemistry of Materials, Journal of Chemical Physics，Journalof Physical Chemistry, Chemical Physics Letters, Inter disciplinary Sciences, 物理化学学报等期刊编委。
王恩哥：
北京大学物理学院讲席教授、中国科学院院士、中国科学院物理研究所学术委员会主任、中国科学院大学卡维里（Kavli）理论科学研究所荣誉所长。2017年当选为国际纯粹与应用物理联盟（IUPAP）执行副主席，2018年当选为美国物理学会（APS）国际董事。曾任中国科学院物理研究所所长、北京大学校长、中国科学院副院长。主要从事凝聚态物理研究，在轻元素材料的全量子化效应，包括纳米新材料探索及其物性、原子尺度上的表面生长动力学以及受限条件下水的复杂形态等方面，作出了有重要影响的贡献。发表学术论文300余篇，其中《科学》《自然》及子刊和PRL上50余篇，中英文学术著作各1部。曾获第三世界科学院物理奖，德国洪堡研究奖，世界华人物理学会“亚洲成就奖”，陈嘉庚数理科学奖，何梁何利科技进步奖，国际先进材料终身成就奖等。
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来源：北京大学公众号、北京大学新闻网
美编：赖雯燕