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北京大学合作课题组在水科学领域取得重大突破
www.jyb.cn 2014年01月15日 作者：王庆环 来源：光明日报
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本报北京1月14日电（记者王庆环）日前，北京大学量子材料中心、量子物质科学协同创新中心的江颖课题组和王恩哥课题组合作，在水科学领域取得重大突破，在国际上首次实现了水分子的亚分子级分辨成像，使得在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能。
水的各种奇特物理和化学性质与水分子之间的氢键相互作用紧密相关，如何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。过去三年，江颖课题组主要致力于超高分辨的扫描探针显微镜系统的研制和开发，深入到单分子的内部展开亚分子级分辨成像和操控研究，目前取得了一系列研究进展，不仅为水—盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，而且为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径。另外，该工作所发展的实验技术还可进一步应用于原子尺度上的氢键动力学研究，比如质子传输、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。
据了解，相关研究成果于1月5日在线发表在《自然—材料》上。江颖和王恩哥是文章的共同通讯作者，博士研究生郭静、孟祥志和陈基是文章的共同第一作者，北大物理学院的李新征研究员和量子材料中心教授施均仁在理论方面提供了重要的支持和帮助。这项工作得到了国家基金委、科技部、教育部和北京大学的资助。
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http://www.jyb.cn/high/gdjyxw/201401/t20140115_567295.html
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中国科学家在世界上首次拍到水分子内部结构 2014-01-15 06:59:21
北京大学科学家在世界上首次拍到水分子的内部结构，并揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态。这一成果发表在最近一期的《自然-材料》杂志上。
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我国科学家在世界上首次拍到水分子的内部结构。上图显示了水分子在氯化钠表面上的排列方式和单个水分子、四分子水团簇的内部结构。
水分子是地球表面上最多的分子，其内部结构非常基本，但是又具有很多奇妙的化学性质。水作为良好的溶剂为生命存在提供了基本条件，其独特的氢键结构也一直让科学家难以解释。
北京大学量子材料中心、量子物质科学协同创新中心江颖课题组与王恩哥课题组合作，在水科学领域取得重大突破，在国际上首次实现了水分子的亚分子级分辨成像，使在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能。相关研究成果于1月5日以Article的形式在线发表在《自然-材料》[Nature Materials DIO: 10.1038/nmat3848]。江颖和王恩哥是文章的共同通讯作者，博士研究生郭静、孟祥志和陈基是文章的共同第一作者，物理学院的李新征研究员和量子材料中心的施均仁教授在理论方面提供了重要的支持和帮助。这项工作得到了国家基金委、科技部、教育部和北京大学的资助。
水的各种奇特物理和化学性质与水分子之间的氢键相互作用紧密相关，如何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。由于氢键的形成主要源于氢原子和氧原子之间的静电作用力(O-H…O)，要精确描述水的氢键构型，不仅需要判定氧原子的位置，还必须能识别氢原子的位置，也就是要求能在亚分子级水平上探测水分子在空间中的取向。然而，由于氢原子的质量和尺寸都非常小，对水分子进行亚分子级分辨成像极具挑战性。
北京大学谱学和高分辨率探测实验室负责人江颖介绍，水分子的直径只有一根头发的百万分之一，而且流动性非常强，拍照的第一个难题就是给它选择一个合适的背景。而要想用电子显微镜拍照，这个背景还得能导电才行。以前科学家用金属作为衬底，曾经观测到模糊的水分子外形，没有任何的内部结构。这次我国科学家选取氯化钠（NaCl）薄膜作为背景，将水分子吸附在盐表面进行观察，捕捉到水分子更清晰的面貌。
=单个水分子的内部结构图像。图中花瓣部分是水分子的电子云，中间的暗缝是水分子内部化学键。
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过去三年，江颖课题组主要致力于超高分辨的扫描探针显微镜系统的研制和开发，深入到单分子的内部展开亚分子级分辨成像和操控研究，并取得了一系列研究进展：在亚纳米尺度对二维自旋晶格的近藤效应进行了实空间成像 [Science 333,324(2011)]；探测到了单个萘酞菁分子内部不同振动模式的空间分布[J. Chem. Phys. 135,014705(2011)]；对单个功能化分子内部的化学键实现了选择性操纵[Nature Chemistry 5,36(2013)]。
在此基础上，江颖课题组与王恩哥课题组紧密配合，通过仔细的论证和探索，成功地把亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，开创性地把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极（top gate），以皮米的精度控制针尖与水分子的距离和耦合强度，调控水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布，从而在NaCl(001)薄膜表面上获得了单个水分子和水团簇迄今为止最高分辨的轨道图像。
这使得研究人员可以在实验中直接识别水分子的空间取向和水团簇氢键的两种不同方向性。结合第一性原理计算，研究人员发现以往报道的盐表面的水分子团簇都不是最稳定的构型，并提出了一种全新的四聚体吸附结构。
该工作不仅为水-盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，而且为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径。另外，该工作所发展的实验技术还可进一步应用于原子尺度上的氢键动力学研究，比如质子传输、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。
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水分子在氯化钠表面上的结合方式。图g和图h显示，水分子是“站”在盐上的。
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四个水分子构成的水团簇影像及其两种不同的方向性
来源：北大校友网 | 责任编辑:张广凯
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王恩哥 北京大学党委常委、校长
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北京大学党委常委、校长。全面主持行政工作。负责规划、编制、预算、审计和信息化建设工作。主管发展规划部、“985工程”暨“211工程”办公室、审计室、信息化建设与管理办公室、计算中心、现代教育技术中心。
1975年至1978年辽宁省辽中县乌伯牛公社知识青年。1978年至1985年辽宁大学物理系本科生、硕士研究生。1985年至1987年辽宁大学物理系教师，期间赴美国普林斯顿大学交流学习。1987年至1990年北京大学物理系博士研究生。1990年至1991年中国科学院物理研究所博士后。1991年至1995年法国里尔表面与界面实验室和美国休斯顿大学博士后、副研究员。1995年至2009年中国科学院物理研究所研究员，期间任中国科学院物理研究所所长（1999-2007）；北京凝聚态物理国家实验室（筹）主任（2004-2009）；中央党校中青班学员（2006-2007）；中国科学院副秘书长、研究生院常务副院长（2008-2009）。2009年至今北京大学教授，期间任北京大学研究生院院长、物理学院院长（2009-2011）；北京大学党委常委、副校长、教务长（2011-2012）；北京大学党委常委、常务副校长、教务长（2012-2013）。2013年3月任北京大学党委常委、校长。
2001年至今曾任日本东北大学JSPS访问教授、德国马普研究所AvH访问教授、美国斯坦福大学GCEP访问教授、美国加州大学伯克利分校访问教授，美国加州大学圣巴巴拉分校KITP访问教授，意大利国际理论物理中心ICTP访问教授。
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http://www.pku.edu.cn/about/ldjg/xzh/weg.jsp
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Dr. Ying Jiang 江颖
量子材料中心研究员，博士生导师
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简历：
男，1982年生于四川乐山。2003年本科毕业于北京师范大学物理系，2008年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。2006年到2007年为德国尤里希研究所 (Forschungszentrum Jülich GmbH) 访问学者。2008年到2010年在美国加州大学欧文分校 (UC, Irvine) 从事博士后研究。2010年被聘为北京大学国际量子材料中心副研究员、博士生导师。2010年到2011年为中科院物理研究所客座研究员。2011年开始开始担任中科院物理所表面物理国家重点实验室学术委员会委员。2012年入选国家首批“青年拔尖人才支持计划”。2013年晋升为北京大学国际量子材料中心研究员。
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主要研究方向：
实验手段：低温扫描隧道显微镜，非接触式原子力显微镜，分子束外延，飞秒激光技术。
研究对象：表面上的单原子/分子，低维量子材料。
研究内容：原子尺度上的电、声、光、磁等特性，以及非平衡超快动力学过程。
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过去的主要工作及获得的成果：
a. 表面上的单分子
1 单分子操纵：在复杂功能化分子中实现了化学键的选择性操控，在单分子水平上揭示了分子的电子结构在化学反应过程中的演化，为分子电子学的研究提供了重要参考。(Nature Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.1488 (2012))
2 单分子的振动-自旋耦合：在实空间对单个分子振动态和自旋态的分布进行了高分辨成像，给出了不同的振动模式与自旋之间耦合的选择定则，揭示了电子-电子相互作用和电子-声子相互作用之间的内在联系。(in preparation)
3 单分子在光场下的响应：在STM隧道结中引入激光，原位实时研究了单个分子的电荷态在激光光场下演化的动力学过程，揭示了利用激光诱导的等离激元调控单分子电荷态的可能性，展示了超快激光技术和扫描探针技术相结合的可能性。(in preparation)
b. 表面上的二维体系
4 二维强关联体系：利用模板衬底和低温技术制备出了一种新奇的二维近藤晶格，并在亚纳米尺度进行了实空间成像，测量了近藤共振态在实空间的分布，揭示了近藤效应与周期性晶格的内在关联，为人工近藤晶格的量子调控研究提供了可能。(Science 333, 324 (2011))
5 二维金属：利用界面裁剪技术，在半导体衬底上实现了单原子层体相金属薄膜的生长，突破了长期以来金属在半导体表面生长时所遇到的瓶颈（无序和重构），为二维电子气系统的研究提供了又一个理想和有趣的平台。(APL 91, 181902 (2007); PRB 76, 235434 (2007); PRB 76, 035409 (2007); JAP102, 053504 (2007); JCP 133, 014704 (2010); PRB 83, 165452 (2011))
二维半导体：发现了一种理想的单原子层半导体，研究了其中 Si 掺杂原子空间分布的统计涨落所引起的纳米尺度下势起伏，并揭示了纳米尺度势起伏的物理本质，为未来基于电荷的量子器件的设计和实现提供了重要依据。(APL 95, 072107 (2009); PRB 81, 033405 (2010); Nano Lett.12, 5845 (2012))
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论文及其它成果：
以第一作者或通讯作者在Science, Nature子刊等杂志上发表多篇文章。近期代表性论文包括：
6 Y. Jiang, Q. Huan, L. Fabris, G. C. Bazan, and W. Ho, “Submolecular control, spectroscopy, and imaging of bond-selective chemistry in single molecules”, Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.1488 (2012). (Reported as research news by Royal Society of Chemistry in UK)
7 Ph. Ebert, S. Landrock, Y. Jiang, K. H. Wu, E. G. Wang, and R. E. Dunin-Borkowski, “Electronically Nonalloyed State of a Statistical Single Atomic Layer Semiconductor Alloy”, Nano Lett. 12, 5845 (2012).
8 Y. Jiang, J. X. Cao, Y. N. Zhang, R. Q. Wu, and W. Ho, “Real-space imaging of Kondo Screening in a two-dimensional O2 lattice”, Science 333, 324 (2011). (Featured in Nature Nanotechnology6, 461 (2011) and Science 333, 266 (2011). Selected for publication in Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology)
9 Y. Jiang*, J. D. Guo, Ph. Ebert, E. G. Wang, and K. H. Wu, “Locally probing the screening potential at a metal-semiconductor interface”, Phys. Rev. B 81, 033405 (2010).
Y. Jiang, Y. Kim, S. B. Zhang, Ph. Ebert, S. Y. Yang, K. H. Wu and E. G. Wang, “Growing extremely thin bulklike metal film on a semiconductor surface: Monolayer Al(111) on Si(111)”, Appl. Phys. Lett. 91, 181902 (2007)
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目前的研究课题及展望：
10 超快扫描隧道显微镜系统的研制和应用。
11 水分子与盐、氧化物表面的相互作用。
单个分子/纳米结构光学性质的量子调控。
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培养研究生情况：
在读博士生三名，拟每年招收直博生和博士生1--2名。
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联系方式： 电话：+86-10-62757177 邮件：yjiang@pku.edu.cn
http://icqm.pku.edu.cn/contents/82/102.html
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知乎搜索
中国首次拍摄到水分子内部结构，有什么科学上的意义？
知乎用户、马耀光、You Alive 等人赞同 谢 @王洞明 邀请。
水一直以来都有很多有趣的问题，有的甚至是悬而未决的难题。而这其中的一个关键就是，我们需要了解水分子直接氢键的结构和质子的输运情况。我举一些例子：
其一：Grotthuss mechanism
在维基的页面里面会看到一个有意思的动画，显示了这个机制的基本图像，因为氢键的形成，使得氢在水分子之间的传递变得很轻松，而当沿着 1D 链逐一跳跃式传播，可以用许多可解的非平衡统计物理模型来解释这一传播过程。这一过程还它蕴含了质子高效运输的一种可能的机制，而质子的高效运输跟质子交换膜燃料电池、氢能源等问题都密切相关。关于这一问题的基本理论研究的文章现在也有很多：
1 Tom Chou, Water Alignment, Dipolar Interactions, and Multiple Proton Occupancy during Water-Wire Proton Transport. Biophysical Journal. 2004. 86: 2827. (http://faculty.biomath.ucla.edu/tchou/pdffiles/2827.pdf)
2 Jürgen Köfinger, Gerhard Hummer, and Christoph Dellago. Macroscopically ordered water in nano pores. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. 105: 13218.
3 Ali Hassanali, et al. Proton transfer through the water gossamer. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. 110: 13723.
4 Edelsys Codorniu-Hernández and Peter G. Kusalik. Probing the mechanisms of proton transfer in liquid water. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. 110: 13697. (Sign In, 这里是对上文的一个简化的介绍)
其二，量子化学计算得到水分子团簇基态结构，再到在固体表面的水分子的结构。例如：
5 Ceponkus, J., P. Uvdal, and B. Nelander. "Water tetramer, pentamer, and hexamer in inert matrices." The Journal of Physical Chemistry A 116.20 (2012): 4842-4850.
在 ViewMol3D - Water clusters: dimer, trimer and tetramer 网站上可以看到更多的结构，这里选取了其网站上 4 分子团簇的结构作为示意。4 个水分子假如没有衬底，那么计算得到的能量最低结构如下图所示。如果考虑水分子与离子的相互作用，还可以有更多有意思的的结构（Scitation: The properties of ion-water clusters. II. Solvation structures of Na+, Cl−, and H+ clusters as a function of temperature）。
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4 个水分子形成的这个环形的结构看起来很有意思，不过还可以考虑一个更有意思的问题，如果这 4 个水分子在某个方向上受到限制，那么在周期结构表面会形成怎样的结构呢？这时候就可以看到我国科学家首次拍摄到水分子内部结构这一实验有意思的地方了，首先显然上图给出的结构不会再是能量最低的结构，在固体表面，这个结构肯定要有些调整。文中给出了这时 4 个水分子的吸附结构如下图所示。了解了结构，知道了分子间相互作用的强度，可能可以为在固体表面发生化学反应的预测提供一些线索。更重要的是我们能不能去预测水分子与其它各种类型的衬底相互作用时水分子的情况，例如 @Unix Hater 所提到的，TiO2 表面的水分子问题等等。
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除此之外，关于与水有关的问题还有很多，我这里不再一一介绍。有些时候也可以自己根据自己的爱好想出一些问题来，例如我看到这个 4 分子的结构，就会想能不能简化这一结构的描述（例如用一个Heisenberg XY 模型来描述一个水分子的吸附构象状态等等）。又例如 @Unix Hater 提到了冰熵问题，喜欢写程序的朋友还可以做做 POJ 的1099 -- Square Ice 来初步了解一下这个问题。
扯了这么多淡，最后回到这篇文章，其实新闻报道里面也已经说到了这次的工作的亮点，亮点其实是成像技术，不过这方面我就不懂了：
成功地把亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，开创性地把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极，以皮米（1皮米相当于1米的一万亿分之一）的精度控制针尖与水分子之间的距离和耦合强度，调控水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布，从而大大提高了成像的信噪比，使得研究人员捕捉到水分子更清晰的面貌。
另一个有意思的创意是：
这次我国科学家选取了金属表面生长的绝缘薄膜（氯化钠）作为拍摄的衬底，让水分子吸附在盐的表面进行观察，这大大减小了水分子和衬底之间的耦合，从而使水分子本征的轨道结构得以保留。
http://www.zhihu.com/question/22538805
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(2014-01-20 11:21:36)