一个关于水的数十年之谜终于被解开。研究人员发现，截留在微小纳米级空间中的水并不具备本质上更强的反应性。相反，这些微观间隙内部产生的高压解释了大部分效应，而如果周围材料与反应产物发生相互作用，则可进一步增强水的化学反应性。
这些微小空间广泛存在于自然界和技术领域，包括纳米级孔隙、膜和生物通道。一项新研究发现，答案比研究人员曾经认为的更加微妙，这有助于解决多年来相互矛盾的结果。
为什么水分解很重要
水的决定性化学性质之一是其分裂成两个带电粒子的能力：H3O+（水合氢离子）和OH-（氢氧根离子）。这一过程决定了pH值，即测量溶液酸性或碱性的指标，并在酸碱化学中起着核心作用。它影响着从维持细胞功能的酶到电池内部发生的反应等一切事物。
科学家们想要确定，将水限制在仅有十亿分之一米（纳米级）宽的空间中，是否会改变这种分裂发生的难易程度。
他们的发现发表在《科学进展》（Science Advances）上，表明纳米受限水的表观化学反应性很大程度上取决于密度、孔径、壁柔顺性和表面化学等因素。
“当我们比较等效热力学条件下的系统时——特别是在相同的化学势（决定反应是否发生的量）下——限制效应在很大程度上消失了。换句话说，单纯的限制本身并不会本质上改变水的反应性。这解释了为什么过去十年的实验产生了相互矛盾的结果，”该研究的主要作者Xavier R. Advincula说。
“文献中的矛盾很大程度上是因为科学家们在不知情的情况下比较了处于不同有效压力或密度下的系统。”
机器学习揭示了缺失的一环
为了探索这个问题，研究人员依靠机器学习模拟，这种模拟能够再现量子力学的精度，同时允许他们研究比传统计算方法更广泛的条件范围。
团队研究了被困在石墨烯和六方氮化硼薄片之间的水。尽管这两种材料都只有一个原子厚度且结构相似，但它们的表面化学性质却截然不同。
模拟还显示，限制在这些材料之间的水滴承受着极高的内部压力。被困在石墨烯或hBN薄片之间的水可以达到数吉帕斯卡的压力，这与地球深处的压力相似，尽管并没有施加外力。
相反，这种压力是由于原子级薄层之间的范德华引力而自然产生的。虽然单个原子之间的力很弱，但在二维材料的大表面积上，它变得非常强，将薄片拉在一起并压缩被困在其中的水。
驱动水反应性的是压力，而非限制
研究人员发现，这些巨大的压力大大增加了水分子的分裂。
然而，当他们将受限水与承受相同压力的普通体相水进行比较时，两者的行为基本相同。这表明增加的反应性主要来自压力本身，而不仅仅是限制。
“最让我们惊讶的是，表观限制效应在很大程度上可以用热力学来解释。一旦正确考虑了压力和化学势，许多复杂性就迎刃而解了，”剑桥大学Yusuf Hamied化学系的Angelos Michaelides教授说。
表面化学仍然发挥着重要作用
虽然仅仅将水挤压到微小空间中并不会本质上使其更具反应性，但周围材料仍然可以影响其化学性质。
在被hBN限制的水滴中，边缘形成的氢氧根离子（OH-）与周围材料发生了化学键合。这稳定了离子，降低了水分裂所需的能量，并增加了解离量。
在石墨烯中未观察到同样的效应，因为其化学惰性表面不参与反应。
结果表明，围绕受限水的材料可以主动塑造其化学行为。
“这项研究为理解纳米尺度的水化学提供了一个新的框架，并有助于调和十年来明显相互矛盾的研究，”卡文迪许实验室凝聚态物质理论小组的Christoph Schran博士说。
“更重要的是，这项工作为设计纳米级化学环境提供了实用的设计原则。我们可以通过选择表面与水解离产物相互作用的限制材料，以及控制受限空间内产生的压力，来调节水的反应性，而不是仅仅关注孔隙或通道的尺寸。”
在能源技术中的潜在应用
这些发现可能对依赖受限水的技术产生重要影响，包括氢燃料电池、电池、离子选择膜和催化系统。
接下来，研究人员计划研究包含实际材料中常见的缺陷和边缘的更现实环境。他们还希望利用先进的光谱和纳流控技术，将其预测结果与实验室测量结果进行比较。
同时，该团队正在筛选大量的二维材料和表面化学性质，以确定能够针对特定技术应用增强或抑制水反应性的组合。