意昂体育平台量子材料中心、量子物質科學協同創新中心江穎課題組與王恩哥課題組合作⬆️，在水科學領域取得重大突破，在國際上首次實現了水分子的亞分子級分辨成像🎴，使在實空間中直接解析水的氫鍵網絡構型成為可能💁🏼。相關研究成果於1月5日以Article的形式在線發表在《自然-材料》[Nature Materials DIO: 10.1038/nmat3848]🚿。江穎和王恩哥是文章的共同通訊作者，博士研究生郭靜、孟祥誌和陳基是文章的共同第一作者🦸🏿‍♂️，物理學院的李新征研究員和量子材料中心的施均仁教授在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項工作得到了國家基金委、科技部、教育部和意昂体育平台的資助。

水的各種奇特物理和化學性質與水分子之間的氫鍵相互作用緊密相關，如何在分子水平上確定水的氫鍵網絡構型是水科學領域的關鍵科學問題之一。由於氫鍵的形成主要源於氫原子和氧原子之間的靜電作用力(O-H…O)，要精確描述水的氫鍵構型，不僅需要判定氧原子的位置⛑，還必須能識別氫原子的位置👳🏿‍♂️，也就是要求能在亞分子級水平上探測水分子在空間中的取向。然而🦈，由於氫原子的質量和尺寸都非常小，對水分子進行亞分子級分辨成像極具挑戰性🧽。

過去三年，江穎課題組主要致力於超高分辨的掃描探針顯微鏡系統的研製和開發，深入到單分子的內部展開亞分子級分辨成像和操控研究，並取得了一系列研究進展：在亞納米尺度對二維自旋晶格的近藤效應進行了實空間成像 [Science 333,324(2011)]；探測到了單個萘酞菁分子內部不同振動模式的空間分布[J. Chem. Phys. 135,014705(2011)]；對單個功能化分子內部的化學鍵實現了選擇性操縱[Nature Chemistry 5,36(2013)]。

在此基礎上，江穎課題組與王恩哥課題組緊密配合，通過仔細的論證和探索☠️，成功地把亞分子級分辨成像和操控技術應用到水科學領域，開創性地把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂柵極（top gate），以皮米的精度控製針尖與水分子的距離和耦合強度，調控水分子的軌道態密度在費米能級附近的分布🧑🏿‍✈️👩‍💼，從而在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個水分子和水團簇迄今為止最高分辨的軌道圖像🫱🏿🤝。這使得研究人員可以在實驗中直接識別水分子的空間取向和水團簇的氫鍵方向性。結合第一性原理計算💂🏼‍♀️，研究人員發現以往報道的鹽表面的水分子團簇都不是最穩定的構型，並提出了一種全新的四聚體吸附結構。

該工作不僅為水-鹽相互作用的微觀機製提供了新的物理圖像🚴‍♀️，而且為分子間氫鍵相互作用的研究開辟了新的途徑。另外🧜🏼，該工作所發展的實驗技術還可進一步應用於原子尺度上的氫鍵動力學研究，比如質子傳輸🔑、氫鍵的形成和斷裂🧘🏻、振動弛豫等✌🏼。

圖a： NaCl(001)薄膜表面吸附的單個水分子和水分子四聚體的三維STM圖像👩🏽‍⚕️。圖b和圖c分別是單個水分子的HOMO和LUMO軌道STM圖像👨‍👩‍👧‍👧。圖d和圖e是兩種具有不同氫鍵手性的水分子四聚體的HOMO軌道STM圖像。圖f-i😙：由第一性原理計算得到的與圖b-e相對應的軌道圖像🚾。