密闭水带电研究揭示纳米孔中水的介电响应

当水进入尺寸小于 10 纳米的纳米孔时，新的物理学现象就会出现：观察到了冰的新阶段，并测量了超快质子传输。受限水在生物学中也发挥着作用，其中水通道蛋白穿过细胞膜，允许水和其他小分子通过纳米级通道进行特定传输。

然而，该领域缺乏对限制如何影响水在一维孔隙内屏蔽电场的能力的基本理解。

为了解决这一难题，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家和德克萨斯大学奥斯汀分校的一位合作者利用模拟来解释受限水对外加电场的一级响应。这项研究发表在《物理化学快报》的封面上。

作者发现，水屏蔽沿一维纳米孔轴线施加的电场的能力有所提高。这种增强是由于在限制条件下，水偶极子相对于本体流体的排列范围更长，甚至导致在极端限制条件下形成奇异的水相(铁电冰)。

“有必要了解密闭液体屏蔽电场的能力，以及这种能力与本体环境有何不同，”论文第一作者、LLNL 科学家 Marcos Calegari Andrade 说道。“更好地了解密闭水的介电响应不仅对推进分离技术很重要，而且对其他新兴应用(如能量存储和转换)也很重要。”

小于 10 纳米的纳米孔已显示出良好的离子选择性，可用于从海水淡化到光化学水分解装置等各种应用。

LLNL 科学家、论文共同作者 Anh Pham 表示：“对限制效应对水的介电常数进行基础研究有利于理解和改进当前的技术。”

在这项新研究中，研究团队希望探索机器学习 (ML) 的计算效率，从基于第一性原理的方法中推导出疏水纳米限制效应对水的介电性能的影响。ML 使研究团队能够预测系统的势能表面以及水的分子偶极子，两者均具有量子力学计算的精度。

Calegari Andrade 表示： “我们的工作揭示了 1-D 疏水纳米限制的特殊影响，不仅对介电常数有影响，而且对水的电子结构也有影响，而这些影响是无法通过基于传统参数力场的模拟观察到的。”