受限水带电：研究揭示了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，新的物理学出现了：观察到了冰的新相，并测量了超快质子传输。受限水在生物学中也起着重要作用，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运输

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

为了解决这一挑战，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名合作者转向模拟，以解释承压水对施加电场的一阶响应。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施加的电场的能力有所提高。这种增强源于水偶极子在约束下相对于体流体的长距离排列，甚至导致在极端约束下形成奇异的水相（铁电冰）

该论文的主要作者、LLNL科学家Marcos Calegari Andrade说：“有必要了解受限液体屏蔽电场的能力，以及这种能力与散装环境的差异。”。“对承压水介电响应的更好理解不仅对推进分离技术很重要，而且对其他新兴应用也很重要，如能量存储和转换。”

小于10纳米的纳米孔在从海水淡化到用于光化学水分解的设备等应用中显示出有前景的离子选择性

该论文的合著者、LLNL科学家Anh Pham说：“对水介电常数限制效应的基础研究有助于理解和改进当前的技术。”

在这项新研究中，该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得出疏水纳米约束对水介电性能的影响。ML使团队能够预测系统的势能面以及水的分子偶极子，两者都具有量子力学计算的准确性

Calegari-Andrade说：“我们的工作揭示了1-D疏水纳米约束的特殊影响，不仅对介电常数，而且对水的电子结构，这是基于传统参数力场的模拟无法观察到的。” More information: Marcos F. Calegari Andrade et al, Nonlinear Effects of Hydrophobic Confinement on the Electronic Structure and Dielectric Response of Water, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c01242

Journal information: Journal of Physical Chemistry Letters