当水被困在狭窄的纳米级空腔中时，它会进入一个既不是固体也不是液体，而是介于两者之间的中间相。 这是一个国际研究团队的发现，他们使用统计物理学、量子力学和机器学习来研究当水被限制在如此小的空间内时，水的性质如何变化。 众所周知，通过分析这种纳米约束水的压力-温度相图，研究小组发现它表现出中间的“六方”相，并且还具有高导电性。
纳米级水的特性可能与我们与散装水相关的特性非常不同。 在其他不寻常的特征中，纳米级水具有异常低的介电常数，几乎没有摩擦地流动并且可以存在于方形冰相中。
纳米承压水的研究具有重要的实际应用。 团队负责人指出，我们体内的大部分水都被限制在狭窄的空腔中，例如细胞内、膜之间和小毛细血管中的空间 文卡特·卡皮尔，理论化学家和材料科学家 英国剑桥大学. 锁在岩石中或困在混凝土中的水也是如此。 因此，了解这种水的行为可能是生物学、工程学和地质学的核心。 它对于开发未来的水性纳米器件以及纳米流体、电解质材料和海水淡化等应用也很重要。
近年来，研究人员制造了具有纳米级尺寸的人造疏水毛细管。 这使他们能够测量水通过非常狭窄的通道时的特性，以至于水分子没有足够的空间来显示它们通常的氢键模式。
只有一个分子厚
在最新的工作中，卡皮尔和他的同事们研究了夹在两个类似石墨烯的薄片之间的水，这样水层只有一个分子厚。 使用旨在模拟系统中所有电子和原子核行为的原子模拟，他们计算了水的压力-温度相图。 该图在一个轴上绘制温度，在另一轴上绘制压力，揭示了在给定压力-温度条件下最稳定的水相。
“这些模拟通常在计算上非常昂贵，因此我们结合了许多基于统计物理学、量子力学和机器学习的最先进的方法来降低成本，”卡皮尔说 物理世界. “这些计算节省使我们能够在不同的压力和温度下严格模拟系统并估计最稳定的阶段。”
研究人员发现，单层水具有令人惊讶的多变相行为，对纳米通道内的温度和压力高度敏感。 在某些情况下，它显示出“六方”相，正如所谓的 KTHNY 理论所预测的那样，它介于固体和液体之间，该理论描述了二维限制中晶体的熔化。 这一理论为其开发者赢得了 2016年诺贝尔物理学奖 促进我们对二维固体相行为的理解。
高导电性
研究人员观察到，纳米约束水变得高度导电，其电导率比电池材料高 10-1000 倍。 他们还发现它不再存在于分子相中。 卡皮尔解释说：“氢原子开始几乎像流体一样穿过氧气晶格，就像孩子们在迷宫中奔跑一样。” “这一结果非常显着，因为这种传统的‘大块’超离子相只能在巨行星内部等极端条件下保持稳定。 我们已经能够在温和的条件下稳定它。
David Thouless、Duncan Haldane 和 Michael Kosterlitz 获得 2016 年诺贝尔物理学奖
“看起来，将材料限制在 2D 中可能会产生非常有趣的特性，或者它们的散装对应物仅在极端条件下才会表现出的特性，”他继续说道。 “我们希望我们的研究将有助于揭示具有有趣特性的新材料。 然而，我们更大的目标是了解水，尤其是当它受到非常复杂的条件影响时，比如我们的身体内部。”
该团队包括来自伦敦大学学院、那不勒斯费德里科二世大学、北京大学和仙台东北大学的研究人员，现在希望观察他们在现实世界实验中模拟的阶段。 “我们也在研究二维材料，而不是类似石墨烯的材料，因为这些系统原则上可以在实验室中合成和研究，”卡皮尔透露。 “因此，应该可以与实验进行一对一的比较——祈祷。”
目前的工作在 自然.
