深入探索納米孔中水的行為，對于科學(xué)和實際應(yīng)用都至關(guān)重要。香港城市大學(xué)（城大）的科學(xué)家揭開了水和冰在高壓、不同溫度和強限制條件下的一系列全新且有趣的行為。這些發(fā)現(xiàn)與日常生活中觀察到水的正常行為相悖，有助增進對極端環(huán)境中水的不尋常特性的理解，例如在遙遠的冰行星的核心。這一重大科學(xué)進展的影響跨越多個領(lǐng)域，包括行星科學(xué)、能源科學(xué)和納米流體工程。

城大材料科學(xué)及工程學(xué)系系主任及講座教授曾曉成教授帶領(lǐng)研究團隊，采用最先進的計算方法模擬極端條件下水和冰的性質(zhì)。通過機器學(xué)習(xí)作用勢、晶體結(jié)構(gòu)搜索、路徑積分分子動力學(xué)和元動力學(xué)，他們對納米受限下的單層和雙層水進行了全面系統(tǒng)的模擬。這些模擬揭示了一系列有趣的現(xiàn)象，包括二維（2D）冰-水相變、冰的相行為、水分子的分解和納米受限冰中全新的質(zhì)子動力學(xué)。

研究團隊發(fā)現(xiàn)了十種新的二維（2D）冰相，每種冰相都表現(xiàn)出獨特的特征。值得注意的是，他們揭示了一種具有對稱O-H-O分子結(jié)構(gòu)的二維（2D）冰，讓人聯(lián)想起地球上最高密度的三維（3D）冰十 (Ice X)。此外，他們還觀察到動態(tài)部分離子冰和幾種超離子冰。與具有相似水密度的三維（3D）冰相相比，這些二維（2D）冰相出乎意料地可以在更低的壓力下產(chǎn)生，因此能更易在實驗室環(huán)境中產(chǎn)生。

曾教授強調(diào)該研究成果的重要性，指出它們代表了在極端條件下對水和冰的物理和化學(xué)的全新理解，特別是在冰巨行星的核心內(nèi)。他補充：“在實驗室條件下以遠低于以往認(rèn)為需要的超高壓強產(chǎn)生這些冰及分解水形態(tài)（包括部分離子化動態(tài)冰及超離子化冰）將成為可能，實在令人振奮。”

探索水和冰在不同條件下的行為是一項非常復(fù)雜的任務(wù)，尤其是在引入了納米尺度受限的體系中。研究團隊通過大量的分子動力學(xué)和路徑積分分子動力學(xué)模擬來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，并產(chǎn)生了關(guān)于水行為龐大的數(shù)據(jù)庫。從龐大的數(shù)據(jù)結(jié)果中獲取有意義的見解就像是大海撈針一樣極具挑戰(zhàn)。

這次重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)為未來研究冰巨行星內(nèi)部水分子的奧秘及水的基本性質(zhì)鋪平了道路。研究團隊期待未來實驗科學(xué)家的實驗研究，以驗證這些理論計算預(yù)測并探索實際應(yīng)用。曾教授對這項研究的潛力充滿了期待，認(rèn)為這能加深我們對極端環(huán)境下水、冰及水分子分解的理解，并在納米科學(xué)和行星科學(xué)研究領(lǐng)域開辟了新的前沿。

這項研究成果最近已在科學(xué)期刊《自然-物理學(xué)》(Nature Physics)上發(fā)表，題為<Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices>。

如有查詢，歡迎聯(lián)絡(luò)城大材料科學(xué)及工程學(xué)系系主任及講座教授曾曉成教授（電郵：[email protected]）。