纳米级空腔中的水无处不在，对地质学和生物学中的日常现象至关重要。然而，纳米级水的性质可能与散装水的性质大不相同，例如，纳米通道中水的异常低介电常数、接近无摩擦的水流或可能存在方形冰相所示。这些特性表明，纳米约束水可以设计用于纳米流体、电解质材料和海水淡化的技术应用。
不幸的是，在纳米尺度上对水进行实验表征的挑战以及第一性原理模拟的高成本阻碍了控制水行为所需的分子水平理解。
在这里，剑桥大学的研究团队结合了一系列计算方法，以对类石墨烯通道内的单层水进行第一性原理级研究。该团队发现单层水表现出令人惊讶的丰富多样的相行为，对温度和作用于纳米通道内的范德华压力高度敏感。
除了熔融温度随压力非单调变化超过 400 开尔文的多个分子相外，该团队还预测了一个六角相（ hexatic phase），它是固体和液体之间的中间体，以及具有超过电池材料的高电导率的超离子相。值得注意的是，这表明纳米限制可能是在容易获得的条件下实现超离子行为的有希望的途径。
该研究以「The first-principles phase diagram of monolayer nanoconfined water」为题，于 2022 年 9 月 14 日发布在《Nature》。
剑桥大学的科学家们发现，单分子层中的水既不像液体也不像固体，并且在高压下变得高度导电。
关于「散装水」的行为方式众所周知：它在结冰时会膨胀，并且沸点很高。但是当水被压缩到纳米级时，它的性质会发生巨大的变化。
通过开发一种以前所未有的准确度预测这种不寻常行为的新方法，研究人员已经在分子水平上检测到了几种新的水相。
被困在膜之间或微小的纳米级空腔中的水很常见——从我们身体的膜到地质构造，它无处不在。但是这种纳米限制水的行为与我们喝的水非常不同。
剑桥大学研究人员结合计算方法来实现对单层水的第一性原理水平调查。
研究人员发现，被限制在单分子厚层中的水会经历几个阶段，包括「六方」相和「超离子」相。在六方相中，水既不是固体也不是液体，而是介于两者之间。在高压下发生的超离子相中，水变得高度导电，以类似于导体中电子流动的方式快速推动质子穿过冰。
了解纳米级水的行为对于许多新技术至关重要。医学治疗的成功可能取决于困在我们身体小腔内的水会如何反应。用于电池的高导电电解质的开发、海水淡化和流体的无摩擦输送都依赖于预测受限水的行为。
「对于所有这些领域，了解水的行为是基本问题。」论文的第一作者 Venkat Kapil 博士说，「我们的方法允许以前所未有的预测精度研究石墨烯类通道中的单层水。」
研究人员发现，纳米通道内的单分子厚水层表现出丰富多样的相行为。他们的方法预测了几个相，其中包括六角相（固体和液体之间的中间体）和超离子相，其中水具有高电导率。
「六角相既不是固体也不是液体，而是一种中间体，这与之前关于二维材料的理论一致。」Kapil 说， 「我们的方法还表明，通过将水限制在石墨烯通道中，可以通过实验观察到这一阶段。」
「在容易接近的条件下存在超离子相是很特殊的，因为这种相通常存在于极端条件下，如天王星和海王星的核心。可视化这一阶段的一种方法是，氧原子形成固体晶格，质子像液体一样流过晶格，就像孩子在迷宫中奔跑一样。」
研究人员表示，这种超离子相对于未来的电解质和电池材料可能很重要，因为它的电导率比目前的电池材料高 100 到 1000 倍。
结果不仅有助于理解水在纳米尺度上的工作原理，而且还表明「纳米限制」可能是寻找其他材料超离子行为的新途径。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05036-x
相关报道：https://phys.org/news/2022-09-phases.html
