關于水，他們的研究發表在Nature上！

一、【導讀】

對于水的各種特性，我們已經了若指掌。然而對納米級空腔中的水卻比較陌生，這些水對于地質學以及生物學中的日常現象至關重要。納米尺度水的性質可以與日常水的性質有實質性的不同，例如納米通道中的水的介電常數異常低，接近無摩擦水流或可能存在正方體冰相。這些特性表明，納米級水可用于納米流體、電解質材料和水脫鹽的技術應用。在過去的幾十年里，人們用盡各種方法探索了納米封閉水的特性。盡管取得了一些顯著的進展，但在實驗表征納米級水和第一性原理模擬的高成本方面的挑戰阻止了控制水行為所需的分子水平理解。

二、【成果掠影】

2022年9月14日，英國劍橋大學Angelos Michaelides教授團隊結合了一系列計算方法，實現了對類石墨烯通道內單層水的第一性原理研究。研究表明，單層水表現出驚人的豐富多樣的相行為，對溫度和作用在納米通道內的范德華壓力高度敏感。除了熔化溫度隨壓力非單調變化超過400 K的多個分子相之外，研究人員還預測了六邊形相，這是一種介于固體和液體之間的中間相，以及具有超過電池材料的高電導率的超離子相。這些研究表明納米限制可能是在容易接近的條件下實現超電子行為的一條有希望的途徑。該論文以題為“The first-principles phase diagram of monolayer nanoconfined water”發表在知名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

1、在范德華壓力介于0.5-2.0 GPa之間的石墨烯層約束的條件下，單層水呈現出既非固體也非液體的相—六邊形相。

2、在4 GPa和400k以上，超過10%的水分子在100ps內在單層水中解離，單分子層水相的電導率高于0.1 S cm^-1（超離子相閾值）。

四、【數據概覽】

圖1單層納米承壓水的相圖 ? 2022 Springer Nature

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（a-g）使用具有第一性原理準確性的MLP計算的單層水的壓力-溫度相圖。

圖2中等壓力下單層水的六邊形相 ? 2022 Springer Nature

（a-b）不同溫度下氧原子的橫向分布函數g(r)與勢能U和擴散系數D在0.5 GPa時隨溫度的函數關系，表明發生一級相變。

（c-d）不同溫度下氧原子的橫向分布函數g(r)與勢能(黑色)和擴散系數在1.0 GPa時隨溫度的函數關系，表明一階相轉變為六邊形相，連續相轉變為液相。

（e）第一水合殼中的氧原子（紅色）和鍵合氫原子（黑色）相對于氧原子在300-600 K、1?GPa的溫度依賴空間分布?。

（f）溫度依賴性的結構因子，表明在400 K時六邊形相中失去了平動順序，以及在1.0 GPa、600 K時液體中的定向順序損失。

圖3高壓下的超離子行為 ? 2022 Springer Nature

（a）在100ps內，不同壓力下單分子層（圓圈）和冰塊（虛線）中游離OH鍵的百分比的溫度依賴性。

（b）單層水在4 GPa處的溫度依賴性離子電導率。

（c）相對于任意選擇的氧原子的氧原子的空間分布（紅色），以及在600 K和4 GPa處單個氫原子（黑色）的軌跡，表明質子轉移很容易。

五、【成果啟示】

綜述所述，研究人員以第一性原理精確地預測了單層承壓水的壓力—溫度相圖，從低溫和壓力一直到水的解離狀態。通過溫度—壓力相圖對納米承壓水的復雜行為進行了全面的描述，為未來的實驗提供了新的見解，并為納米技術背景下的合理材料設計提供了一個起點。符合KTHNY理論的兩步熔化機制和六邊形相的存在提供了新的物理見解，說明水在納米尺度上的熔化不一定是一階的，這可能對納米系統的熱工程有直接的影響。納米約束條件下水解離增強的證據為合理解釋納米約束水的反常性質提供了基礎，例如，h-BN²中水流的低滑移可以理解為納米約束水中O-H解離傾向增強的基礎。此外，超離子納米承壓水的高導電性可用于水溶液電解質的開發。本研究表明，納米限制可能是在容易接近的條件下檢查超離子材料的一條途徑。

文獻鏈接：The first-principles phase diagram of monolayer nanoconfined water ( Naure 2022, 609, 512-516)