图为钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应。a，第一性原理计算得到的不同离子水合物扩散的势垒；b，第一性原理计算得到的含有三个水分子的钠离子水合物的扩散过程；c，分子动力学模拟得到的不同离子水合物在225K-300K下1ns时间内扩散的均方位移。
图为钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应。a，第一性原理计算得到的不同离子水合物扩散的势垒；b，第一性原理计算得到的含有三个水分子的钠离子水合物的扩散过程；c，分子动力学模拟得到的不同离子水合物在225K-300K下1ns时间内扩散的均方位移。
研究不仅得到了水合离子的原子级分辨图像，研究人员还利用带电的针尖作为电极，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，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。
结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟，科研人员发现这种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。具体来说，包含1、2、4、5个水分子的离子水合物总能通过调整找到与NaCl衬底的四方对称性晶格匹配的结构，因此与衬底束缚很紧，不容易运动；而含有3个水分子的离子水合物，却很难与四方对称性的NaCl衬底匹配，因此会在表面形成很多亚稳态结构，再加上水分子很容易围绕钠离子集体旋转，使得离子水合物的扩散势垒大大降低，迁移率显著提高。分子动力学模拟结果表明，这一幻数效应可以在很大一个温度范围内存在（包括室温）。此外，他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。
此次研究成果有何重要意义？江颖表示，水溶液中的离子输运研究长期以来都是基于连续介质模型，而忽略了离子与水相互作用以及离子水合物和界面相互作用的微观细节。该研究首次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，刷新了人们对于受限体系中离子输运的传统认识。“研究结果表明，可以通过改变表面晶格的对称性和周期性来控制受限环境或纳米流体中离子的输运，从而达到选择性增强或减弱某种离子输运能力的目的，这对很多相关的应用领域都具有重要的潜在意义，比如：离子电池、防腐蚀、电化学反应、海水淡化、生物离子通道等等。”此外，记者了解到，该研究展的实验技术也首次将水合相互作用的研究精度推向了原子层次，未来有望应用到更多更广泛的水合物体系，开辟全新的研究领域。
《自然》杂志三个不同领域审稿人一致认为该成果“会马上引起理论和应用表面科学领域的广泛兴趣”（The results presented in this manuscript are of immediate interest to the communities dealing with theoretical and applied surface science），“为在纳米尺度控制表面上的水合离子输运提供了新的途径并可以拓展到其他水合体系”（This result may open a venue for controlling diffusion transport on nano-engineered crystal surfaces and it may be also extended to other hydration systems）。
