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食盐是如何溶解的?中韩科研团队合作首次揭示原子级别机制

食盐是如何溶解的?中韩科研团队合作首次揭示原子级别机制

2024-03-26 16:26 网站首页 > 政策法规 > 科技动态 > 来源:中国新闻网
盐作为日常生活中最常见的物质之一,其溶解过程看似简单,但其背后的带电离子的行为却极为复杂。

作为柴、米、油、盐、酱、醋、茶“开门七件事”之一,人们熟悉的、日常生活中常用到的食盐(氯化钠)是如何溶解的?机制是什么?长期以来公众颇感兴趣,学界也持续关注和研究。

记者23日从中国科学院深圳先进技术研究院获悉,该院研究员、深圳理工大学(筹)教授丁峰联合韩国蔚山科学技术大学新材料工程系教授申炯畯(Shin Hyung-jun)研究团队开发出一种“单离子控制技术”,在国际上首次成功在原子级别上观察到食盐的溶解过程,并实现在原子级别控制食盐的溶解过程。

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食盐溶于水的图像以及在原子层面上发生的单个离子溶解过程示意图。中国科学院深圳先进技术研究院/供图


这一揭示食盐原子级别溶解机制的突破性科研成果论文,近日在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表,不仅在理论意义上为理解溶液中带电原子(离子)的行为提供了新的视角,还可能对电池、半导体等众多应用领域新材料开发产生重要影响。

论文共同通讯作者丁峰介绍说,盐作为日常生活中最常见的物质之一,其溶解过程看似简单,但其背后的带电离子的行为却极为复杂。传统的研究方法只能测量溶液中离子的平均特性,而无法精确观察到单个离子的行为。科学家们过往倾注了很多努力,但一直没能观察到食盐在水中溶解的原子过程。

为解决这一难题,中韩合作研究团队这次在-268.8℃的极低温度下,将单个水分子沉积在仅有2到3个原子厚度的薄盐膜上,利用具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜(STM)实现精确控制水分子移动,并观察到食盐中单个氯离子的溶解过程。

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通过控制水分子的选择性阴离子提取过程示意图。中国科学院深圳先进技术研究院/供图


研究团队发现,通过精确控制水分子的位置和移动,可以在钠离子和氯离子之间产生显著的相互作用差异:氯离子由于其较高的极化率,比钠离子更容易与水分子发生反应,从而导致选择性的溶解。这一发现不仅揭示了离子溶解的微观机制,也为新型材料的设计提供了可能。研究团队进一步通过系统的密度泛函计算,解释了水分子在氯化钠表面溶解钠离子和氯离子的动力学过程,获得了跟实验观察非常一致的结果。

丁峰表示,此次提示盐原子级别溶解机制研究成果,实证理论计算与模拟对于在理解发生在材料表面的动力学过程起到关键作用,这是他长期以来提出“材料制造、理论先行”的成功实践的典范。

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丁峰教授(前排右五)与韩国科研团队。中国科学院深圳先进技术研究院/供图


论文共同通讯作者申炯畯透露,离子是常见的带电原子,它们能够显著改变电池或半导体材料性能。通过开发的单离子控制技术,研究团队计划进一步扩展与离子相关的各种基础技术和应用研究。

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