手握“生命之门”的“金凤”水是世界上最常见、最复杂的物质。最近，我们试图人工控制冰的形成。我们在世界上第一次观察到冰是如何在原子层面形成的。我们发现冰的结构在二维极限下与石墨烯非常相似……”不久前，在第二届世界顶尖科学家青年论坛上，北京大学物理学院量子材料科学中心教授蒋英描述了吸水无数粉末的世界。话刚说完，许多出席会议的诺贝尔奖得主就站出来一个接一个地交流。对人类来说，水的未解之谜是什么？
从原子尺度上观察水和水合离子的结构，发现水分子和离子如何“相爱并杀死对方”已经困扰了人类100多年。在过去的五年里，蒋英的团队先后获得了世界上第一幅水分子亚分子分辨率图像和世界上第一幅水合钠离子原子分辨率图像，并发现了水合离子是如何运动的。这对改进锂离子电池、提高海水淡化效率和控制烟雾有一定的作用。
从盐水池中攫取一个水合离子
生命与沸水密不可分，但水就像生命看不见的朋友。它一直伴随着我们，但我们看不清楚它的脸。
低调而深邃的水源于它神秘的“内涵”。北京大学物理学院量子材料科学中心教授蒋英告诉《科学日报》，水和其他物质之间的相互作用非常复杂。例如，水作为溶剂可以溶解大量的盐，盐中的钠离子和钾离子会被水分子一个接一个地抽出，被水分子包围，而离子和水分子会一个接一个地形成水合离子。“然而，这些离子被几层水分子包围。100多年来，这些水分子的数量和结构、它们如何分布在离子周围以及它们如何移动，以及水合离子对水的氢键结构有什么影响，一直困扰着国内外的科学家。”
要清楚地看到水合离子的结构和运动，最大的挑战之一是如何通过实验获得单个离子水合物。
蒋英的团队开发了一套独特的离子操纵技术。他们首先将直径约为20微米(相当于发丝直径的一半)的金属丝“削尖”成单个原子，移动氯化钠薄膜表面的针尖，抓住单个钠离子，然后用带有钠离子的针尖扫描水分子，形成含有一个水分子的钠离子水合物。然后他们拖动其他水分子与钠离子水合物结合，得到含有不同数量水分子的钠离子水合物。
改进音叉作为探针，看到“极度活跃”的水合离子
要做好工作，首先必须磨快工具。在通过实验制备单个水合离子后，水合离子的结构需要通过高分辨率成像清晰可见。
偶然间，蒋英受到“qPlus原子力显微镜技术”的启发，发明了一种音叉。“在音乐课上，老师会拿着音叉让每个人分辨声音。音叉质量、长度和音叉臂厚度的不同会导致它们发出不同的声音。如果音叉的一个叉臂连接到针尖，并且针尖与水合离子反应，振动频率将发生变化，并且振动频率的变化反映力的大小。水分子和离子的精确位置可以通过空间力的微小变化来确定。”
照你说的做。为了提高音叉的品质因数和共振频率，蒋英的团队将音叉的结构做成不对称的形状，一个音叉壁厚，一个音叉壁薄，以提高信噪比，减少力的耗散。最后，探测器可以探测微微牛力，灵敏度和分辨率达到国际领先水平。依靠极其微弱的高阶静电力，它可以在一个水中清楚地区分带正电的氢原子和带负电的氧原子。
2018年，蒋英的团队成功确定了水合离子的原子吸附构型。不仅可以准确确定水分子和离子的吸附位置，甚至可以直接识别水分子的微小变化。这是第一次体育
有利于锂电池的研发、海水淡化和烟雾控制。水合离子变得相当可观和可控，给我们带来了惊喜。蒋英说，目前，他们正试图与合作伙伴开发一种“水基锂离子电池”。通过混合锂离子与水的比例，它们可以形成稳定的离子水合结构，产生新的电解质，提高电池的安全性，避免电池爆炸。“目前的困难是电池的电压不能太高。例如，当1.23伏或更高的电压施加到典型的水基离子电池时，水将分解，导致电池故障。”
然而最近，蒋英的团队和北京大学深圳研究生院的研究团队发现，当电池电解液中锂离子与水的比例达到1: 2时，会形成一种特殊的链状结构，即使施加2伏以上的电压，水也不会分解。此外，这种结构可以在金属和石墨表面形成，为开发更安全的新型电解质提供了新思路
海水淡化也可能更有效率。“海水淡化主要去除海水中的盐离子，并将其转化为淡水。如果你知道离子周围的水是如何与之结合的，你可以想办法将它们分开，你也可以尝试使用幻数效应来设计一些具有特殊结构的通道，让离子快速流失，让水留下来。”蒋英透露，目前，他们正在研究氧化石墨烯表面是如何亲水和脱水的，并试图用这种材料过滤海水。
随着初冬的临近，烟雾颗粒可能一口气进入人体。蒋英认为，烟雾颗粒的不同性质及其表面结构决定了水层及其周围水分子的不同结构，这将影响烟雾颗粒的生长和聚集，以及雨雪的形成。如果能找到水合离子的结构和形成规律，它就能起到相反的作用，破坏这些结构并抑制烟雾的形成。
