納米級空腔中的水無處不在，對地質學和生物學中的日常現象至關重要。然而，納米級水的性質可能與散裝水的性質大不相同，例如，納米通道中水的異常低介電常數、接近無摩擦的水流或可能存在方形冰相所示。這些特性表明，納米約束水可以設計用於納米流體、電解質材料和海水淡化的技術應用。
不幸的是，在納米尺度上對水進行實驗表徵的挑戰以及第一性原理模擬的高成本阻礙了控制水行為所需的分子水平理解。
在這裡，劍橋大學的研究團隊結合了一系列計算方法，以對類石墨烯通道內的單層水進行第一性原理級研究。該團隊發現單層水表現出令人驚訝的豐富多樣的相行為，對溫度和作用於納米通道內的范德華壓力高度敏感。
除了熔融溫度隨壓力非單調變化超過 400 開爾文的多個分子相外，該團隊還預測了一個六角相（ hexatic phase），它是固體和液體之間的中間體，以及具有超過電池材料的高電導率的超離子相。值得注意的是，這表明納米限制可能是在容易獲得的條件下實現超離子行為的有希望的途徑。
該研究以「The first-principles phase diagram of monolayer nanoconfined water」為題，於 2022 年 9 月 14 日發佈在《Nature》。
劍橋大學的科學家們發現，單分子層中的水既不像液體也不像固體，並且在高壓下變得高度導電。
關於「散裝水」的行為方式眾所周知：它在結冰時會膨脹，並且沸點很高。但是當水被壓縮到納米級時，它的性質會發生巨大的變化。
通過開發一種以前所未有的準確度預測這種不尋常行為的新方法，研究人員已經在分子水平上檢測到了幾種新的水相。
被困在膜之間或微小的納米級空腔中的水很常見——從我們身體的膜到地質構造，它無處不在。但是這種納米限制水的行為與我們喝的水非常不同。
劍橋大學研究人員結合計算方法來實現對單層水的第一性原理水平調查。
研究人員發現，被限制在單分子厚層中的水會經歷幾個階段，包括「六方」相和「超離子」相。在六方相中，水既不是固體也不是液體，而是介於兩者之間。在高壓下發生的超離子相中，水變得高度導電，以類似於導體中電子流動的方式快速推動質子穿過冰。
了解納米級水的行為對於許多新技術至關重要。醫學治療的成功可能取決於困在我們身體小腔內的水會如何反應。用於電池的高導電電解質的開發、海水淡化和流體的無摩擦輸送都依賴於預測受限水的行為。
「對於所有這些領域，了解水的行為是基本問題。」論文的第一作者 Venkat Kapil 博士說，「我們的方法允許以前所未有的預測精度研究石墨烯類通道中的單層水。」
研究人員發現，納米通道內的單分子厚水層表現出豐富多樣的相行為。他們的方法預測了幾個相，其中包括六角相（固體和液體之間的中間體）和超離子相，其中水具有高電導率。
「六角相既不是固體也不是液體，而是一種中間體，這與之前關於二維材料的理論一致。」Kapil 說， 「我們的方法還表明，通過將水限制在石墨烯通道中，可以通過實驗觀察到這一階段。」
「在容易接近的條件下存在超離子相是很特殊的，因為這種相通常存在於極端條件下，如天王星和海王星的核心。可視化這一階段的一種方法是，氧原子形成固體晶格，質子像液體一樣流過晶格，就像孩子在迷宮中奔跑一樣。」
研究人員表示，這種超離子相對於未來的電解質和電池材料可能很重要，因為它的電導率比目前的電池材料高 100 到 1000 倍。
結果不僅有助於理解水在納米尺度上的工作原理，而且還表明「納米限制」可能是尋找其他材料超離子行為的新途徑。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05036-x
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