福建物构所：溶液水合动力学研究获进展

【成果简介】

中科院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室庄巍课题组在理论上研究了令人困惑的基础溶液科学问题，发现迟滞效应主要来自多个水分子的协同慢运动模式与有限浓度溶液中离子团簇的缓慢扩散运动之间的耦合。研究成果以“Molecular mechanism of water reorientational slowing down in concentrated ionic solutions”为题发表在PNAS上。

【图文导读】

图1 模拟得到的水在KSCN（左）和NaSCN（右）溶液中的二阶旋转相关函数和浓度依赖离子对跳跃和帧旋转时间常数的影响

A 模拟得到的水在KSCN（左）和NaSCN（右）溶液中的二阶旋转相关函数;

B 浓度依赖离子对跳跃和帧旋转时间常数的影响。

图2 KSCN 和 NaSCN浓度为0.5 和5M时，纯水中水流在不同时间间隔下的Van Hove分布函数

A-B 时间间隔为1ps;

C-D 时间间隔为10ps;

E-F 时间间隔为50ps。

【研究内容】

水合离子周围的水分子运动状态与许多重要的自然现象紧密相关，其中包括蛋白质大分子中的构象动力学和酶催化过程，以及在水相电池中电极表面的载流子输运等。在高浓度溶液中，为何所有的电解质，不论其离子是否削弱或增强水中的氢键网络，在高浓度时总是减缓周围水分子的运动？这是长期存在的疑问。对这一现象的结构和动力学成因的微观描述，对理解功能基元的作用机理及其相互协同机制意义重大。

在科技部纳米重点专项、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金重点与面上项目基金的资助以及海西研究院中科院超级计算分中心的支持下，中科院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室庄巍课题组在理论上研究了这一令人困惑的基础溶液科学问题。通过在大规模经典与量子分子动力学模拟计算的基础上结合Extended Ivanov Jump模型和时间粗粒化随机运动理论解析模型，该课题组发现这一迟滞效应主要来自多个水分子的协同慢运动模式与有限浓度溶液中离子团簇的缓慢扩散运动之间的耦合。

该成果是庄巍课题组自2010年起在该方向上系列相关研究的最新进展。此前研究与超快谱学实验结合发现，即使在较低浓度的强电解质溶液中仍存在着离子团簇化现象(PNAS 108,4737, 2011)，这一发现对教科书里经典图像的颠覆性意义被《科学》杂志报道(DOI: 10.1126/science.331.6024.1495-a)。此外，研究人员于2016年在Chemical Science（DOI: 10.1039/C6SC03320B）杂志上发表了关于阳离子水合动力学效应的工作。

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170907_4613684.shtml。

文献链接：Molecular mechanism of water reorientational slowing down in concentrated ionic solutions（PNAS，2017， DOI：10.1073/pnas.1707453114）

本文由材料人编辑部王冰编辑，点我加入材料人编辑部。

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