众所周知，盐放入水中会发生溶解，溶解的离子与水分子结合在一起形成的团簇称为水合离子或离子水合物。水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。早在19世纪末，人们就意识到离子水合作用的存在并开始了系统的研究，最早的实验研究可以追溯到1900年德国著名物理化学家Walther Nernst的迁移实验（Transference experiments）。虽然经过了一百多年的努力，离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题，至今仍没有定论。究其原因，关键在于缺乏原子尺度的实验表征手段，以及精准可靠的计算模拟方法。传统的谱学和衍射技术空间分辨能力较差，只能得到平均效应，无法探测局域环境的影响，实验数据的解释异常困难，甚至得出完全矛盾的结论，因此受到很大的限制。另一方面，由于水分子具有全量子化效应，且水分子与离子相互作用也非常微弱，这对理论计算也是巨大的挑战。图2 钠离子水合物的原子级分辨成像。从左至右，依次为五种离子水合物的原子结构图、扫描隧道显微镜图、原子力显微镜图和原子力成像模拟图。图像尺寸：1.5 nm ×1.5 nm。 为了突破实验上的瓶颈，研究人员基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术，在氯化钠表面上可控的制备出了单个水合钠离子，水分子的数目精确可调，为高分辨成像创造了条件。在此基础上，他们利用之前发展起来的非侵扰式原子力显微镜成像技术，依靠及其微弱的高阶静电力，克服了针尖对弱键合水合离子的扰动并首次实现了原子级分辨表征，精确确定了其微观吸附构型（图2）。这也是水合离子的概念提出一百多年来，首次在实验中直接“看到”水合离子的原子级图像。 进一步，研究人员利用带电的针尖作为电极，控制单个水合离子在氯化钠表面上的定向输运，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（图3）。结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟，他们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，而且可以在很大一个温度范围内存在（包括室温）。此外，研究人员还发现这种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。图3 钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应。a，效果图：包含3个水分子的水合物具有异常强的扩散能力。 b，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。 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。该工作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。该项研究的结果表明，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，该工作发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。 该工作得到了Nature三个不同领域审稿人的一致好评和欣赏（Overall, I enjoyed reading this manuscript），认为该工作“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）。

单分子磁体是一类具有强易轴各向异性的分子纳米磁体，可以在特定温度以下表现出磁滞等类似磁体的行为，是一种超顺磁态。分子中仅含有一个金属离子的单分子磁体通常被称为单离子磁体，近20年来，人们通常可以使用各向异性很强的稀土离子来构筑单离子磁体。稀土离子配合物往往具有较低的对称性，因此很难从几何结构上确定稀土离子的磁各向异性轴和4f电子云的结构。 北京大学化学与分子工程学院高松教授，王炳武副教授和蒋尚达副研究员等近些年设计合成了大量稀土单离子磁体，并发展了多种方法研究稀土离子的磁轴取向。2010年该课题组报道了基于双酮配体的稀土镝单离子磁体（Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 7448）。经过系统研究，蒋尚达副研究员发现在某些特殊对称性下，晶体和分子的磁各向异性轴严格重合，通过单晶转动实验确定晶体的磁化率张量，进而求得晶体和分子的各向异性轴（Jiang SD., Wang BW., Gao S. (2014) Advances in Lanthanide Single-Ion Magnets. In: Gao S. (eds) Molecular Nanomagnets and Related Phenomena. Structure and Bonding, vol 164. Springer, Berlin, Heidelberg）。2015年，蒋尚达和高松教授通过该方法首次确定了双酮类稀土单离子磁体的磁易轴取向，结果显示实验结果与量子化学从头算以及晶体场分析的结果非常接近，该工作发表在英国皇家化学会的旗舰杂志《化学科学》上（Chem. Sci., 2015, 6, 4587）。

传统的橡胶地板易产生静电，特别是在室内空气流通性差的使用条件下，空气中负离子 的浓度很低，人们容易感到疲劳和烦躁情绪，患上“城市文明病”。本成果在对前期已研制 出的橡胶地板进行功能化拓展，所研制出的可释放负离子的橡胶地板除具有传统橡胶地板的 隔潮、降噪、防滑等优点外，还能产生负离子浓度高达 3500 个/cm3 ，达到甚至超过森林中 的负离子浓度。可释放负离子环保型橡胶地板推广应用于家庭铺地装饰，可让在家时可 以享受到犹如在森林中的空气质量。该成果可以加快传统橡胶地板产品质量升级，增强 该产品的市场竞争力，具有良好的市场前景和较高的社会推广价值。 

首次提出利用高Z涂层的电离效应在激光光压加速过程中动态补充电子，弥补RT不稳定性带来的加速等离子体片的电子损失，从而实现动态致稳RPA。这一全新方案非常皮实，三维粒子模拟显示在目前真实的激光和靶参数条件下，此方案可实现稳定的离子光压加速，并且可以应用于加速高Z重离子源。

 微弧离子镀（Micro-arc Ion Plating，MAIP）技术有机融合了多弧离子镀和磁控溅射离子镀的优点，主要面向于精密制造领域的高端薄膜制备。微弧离子镀工艺因具有离化率高、绕镀性好、均匀性好、基片温升低等特点，是各种精密制品理想的表面改性工艺；以此技术开发的纳米氮化物系列超高硬度镀层、碳基非晶自润滑镀层、硫化钼基低摩擦系数镀层等在机械行业得到了广泛的应用。

成 果 简 介 变极性等离子弧立焊工艺是航天航空、高压开关和石油化工领域最具发展前景的铝合金焊接工 艺之一，已成为我国新型运载火箭、航天飞行器等航天产品的必选焊接工艺，目前国际上只有加拿大LIBIRDI 和美国AMET 公司具有该技术，并且只是高价格提供装备，无法提供工艺技术支持。本项目基于国家自然科学基金和国家科技重大专项，独立开发完成变极性等离子弧焊接成套装备与工艺技术，将 焊接工艺技术与自动化焊接成套设备相结合，研究的变极性等离子焊接设备及工艺具有完全自主的知识 产权， 可大幅提高我国航天产品的制造工艺水平，进而增强我国航天产业在国际市场上的竞争力。

已有样品/n该发明公开了一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生方法，应用一种低温等离子体产生装置产生人体可直接触摸的低温等离子体，其中，该低温等离子体产生装置包括高压直流电源(1)、电阻(2)、电容(3)和高压电极(4)，高压电极(4)通过串联电阻(2)与高压直流电源(1)相连，并通过并联电容(3)接地。产生的人体可直接触摸的低温等离子体的长度、粗细和温度可通过调节电阻(2)的阻值、电容(3)的电容值和/或高压直流电

微弧离子镀（Micro-arc Ion Plating，MAIP）技术有机融合了多弧离子镀和磁控溅射离子镀的优点，主要面向于精密制造领域的高端薄膜制备。

本团队先后承担了北京市自然科学基金项目二项、国家自然基金项目二项以及国际合作项目一项。针对氢燃料汽车的氢储存问题，目前研发出了新型镁基复合储氢材料，其储氢量（达 6.0wt.%以上）已经超过美国能源部所要求的储氢量指标（5.5wt.%），具备了实际应用价值。在全固态锂离子电池材料研究领域，本团队还与加拿大西安大略大学孙学良院士合作，开展新型全固态锂离子电池材料研究。目前通过界面改性显著提高了全固态锂离子电池的高倍率放电性能及寿命，相关成果发表在《ACS AppliedMaterials & Interfaces》等期刊上。一种高容量储氢材料；一种高容量长寿命全固态锂离子电池材料的改性技术。

本发明公开了一种钠离子电池电极材料的改性方法，用于在作 为电池负极材料的钛酸锂钾表面包覆一层纳米厚度的碳层，采用烧结 法进行碳包覆，即碳源在高温分解后对钛酸锂钾进行表面包覆，烧结 法以气相有机物、固相有机物或者液相有机物中一种或者多种为碳源， 烧结法包括固相烧结法、气相烧结法以及液相烧结法的一种或者多种， 烧结法的烧结温度为 550～800℃，烧结时间为 15 分钟～5 小时，实现 在钛酸锂钾表面包覆厚度为 1～100 纳米的均匀碳层。本发明方法解决 了钛酸锂钾作为钠离子电池负极材料时的稳定性、循环性以及倍率均 较差的问题。