揭示纳米约束水和冰在极端条件下的行为

了解纳米孔中的水行为对于科学和实际应用都至关重要。香港城市大学(城大)的科学家揭示了水和冰在高压、高温和强约束下的显着行为。

该研究题为“纳米受限冰的丰富质子动力学和相行为”，发表在《自然物理学》上。

这些发现违背了日常生活中观察到的正常行为，具有巨大的潜力，可以促进我们对极端环境中水的不寻常特性的理解，例如在遥远的冰行星的核心。这一重大科学进步的影响涵盖各个领域，包括行星科学、能源科学和纳米流体工程。

由城大材料科学与工程学系系主任兼讲座教授曾晓成教授领导的研究团队采用最先进的计算方法来模拟水和冰在极端条件下的特性。

通过机器学习潜力、晶体结构搜索、路径积分分子动力学和元动力学，他们对纳米约束下的单层和双层水进行了全面模拟。这些模拟揭示了一系列有趣的现象，包括二维 (2D) 冰到水的融化、新颖的冰行为、水分解和纳米冰中的质子动力学。

研究小组发现了 10 种新的二维冰态，每种都表现出独特的特征。值得注意的是，他们发现了具有对称 OHO 配置的 2D 分子冰，让人想起地球上发现的最高密度的 3D Ice X。此外，他们还观察到动态的部分离子冰和一些超离子冰。令人惊讶的是，这些 2D 冰态可以在比水密度相似的 3D 冰态低得多的压力下产生，这使得它们在实验室条件下更容易获得。

曾教授强调了这些发现的重要性，指出它们代表了理解极端条件下水和冰的物理和化学的新前沿，特别是在冰巨行星的核心。

曾教授说：“在实验室中创造这些独特的冰和水分解状态的潜力，包括在比之前想象的更低的压力下动态、部分离子和超离子冰，这是特别令人兴奋的。”

探索水和冰在不同条件下的行为，特别是在考虑纳米限制的情况下，是一项极其复杂的任务。

研究团队通过大量的分子动力学和路径积分分子动力学模拟来应对这一挑战，生成了大量数据集。从大量数据中提取有意义的见解提出了重大的数据分析挑战，需要细致的探索。

这些发现为未来研究冰巨行星之谜和水的基本特性铺平了道路。这项研究的下一阶段涉及计算预测的实验验证和实际应用的探索。

曾教授对这项研究的潜力表示热情，它可以加深我们对极端环境中水、冰和水分解的理解，同时也开辟纳米科学和行星研究的新领域。