揭示纳米承压水和冰在极端条件下的行为

了解纳米孔中的水行为对科学和实际应用都至关重要。香港城市大学的科学家揭示了水和冰在高压、高温和强约束条件下的显著行为

这项题为“纳米受限冰的富质子动力学和相行为”的研究发表在《自然物理学》上

这些发现挑战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性质的理解，例如在遥远的冰行星核心。这一重大科学进步的影响涉及多个领域，包括行星科学、能源科学和纳米流体工程。

在城市大学材料科学与工程系主任兼讲座教授曾晓成教授的带领下，研究团队采用最先进的计算方法模拟了极端条件下的水和冰的特性

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、新的冰行为、水的分裂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O-H-O构型的2D分子冰，这让人想起了地球上发现的密度最高的3D冰X。此外，他们还观测到了动态的部分离子冰和几种超离子冰。令人惊讶的是，这些2D冰态可以在比具有相似水密度的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，特别是在冰巨星的核心

曾教授说：“在实验室中创造这些独特的冰和水分裂状态的潜力，包括在比以前想象的更低的压力下产生的动态、部分离子和超离子冰，尤其令人兴奋。”

探索水和冰在不同条件下的行为，特别是当考虑到纳米约束时，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，生成了一个庞大的数据集。从如此庞大的数据中提取有意义的见解对数据分析提出了重大挑战，需要进行细致的探索

这些发现为未来研究冰巨星的奥秘和水的基本性质铺平了道路。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了热情，这项研究有助于加深我们对极端环境中的水、冰和水分解的理解，同时也开辟了纳米科学和行星研究的新领域