福建物構所：溶液水合動力學研究獲進展

【成果簡介】

中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室莊巍課題組在理論上研究了令人困惑的基礎溶液科學問題，發現遲滯效應主要來自多個水分子的協同慢運動模式與有限濃度溶液中離子團簇的緩慢擴散運動之間的耦合。研究成果以“Molecular mechanism of water reorientational slowing down in concentrated ionic solutions”為題發表在PNAS上。

【圖文導讀】

圖1?模擬得到的水在KSCN（左）和NaSCN（右）溶液中的二階旋轉相關函數和濃度依賴離子對跳躍和幀旋轉時間常數的影響

A?模擬得到的水在KSCN（左）和NaSCN（右）溶液中的二階旋轉相關函數;

B?濃度依賴離子對跳躍和幀旋轉時間常數的影響。

圖2 KSCN 和 NaSCN濃度為0.5?和5M時，純水中水流在不同時間間隔下的Van Hove分布函數

A-B 時間間隔為1ps;

C-D 時間間隔為10ps;

E-F 時間間隔為50ps。

【研究內容】

水合離子周圍的水分子運動狀態與許多重要的自然現象緊密相關，其中包括蛋白質大分子中的構象動力學和酶催化過程，以及在水相電池中電極表面的載流子輸運等。在高濃度溶液中，為何所有的電解質，不論其離子是否削弱或增強水中的氫鍵網絡，在高濃度時總是減緩周圍水分子的運動？這是長期存在的疑問。對這一現象的結構和動力學成因的微觀描述，對理解功能基元的作用機理及其相互協同機制意義重大。

在科技部納米重點專項、中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金重點與面上項目基金的資助以及海西研究院中科院超級計算分中心的支持下，中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室莊巍課題組在理論上研究了這一令人困惑的基礎溶液科學問題。通過在大規模經典與量子分子動力學模擬計算的基礎上結合Extended Ivanov Jump模型和時間粗粒化隨機運動理論解析模型，該課題組發現這一遲滯效應主要來自多個水分子的協同慢運動模式與有限濃度溶液中離子團簇的緩慢擴散運動之間的耦合。

該成果是莊巍課題組自2010年起在該方向上系列相關研究的最新進展。此前研究與超快譜學實驗結合發現，即使在較低濃度的強電解質溶液中仍存在著離子團簇化現象(PNAS 108,4737, 2011)，這一發現對教科書里經典圖像的顛覆性意義被《科學》雜志報道(DOI: 10.1126/science.331.6024.1495-a)。此外，研究人員于2016年在Chemical Science（DOI: 10.1039/C6SC03320B）雜志上發表了關于陽離子水合動力學效應的工作。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170907_4613684.shtml。

文獻鏈接：Molecular mechanism of water reorientational slowing down in concentrated ionic solutions（PNAS，2017， DOI：10.1073/pnas.1707453114）

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