揭开纳米级盐晶体形成的秘密

在自然界和技术中，结晶起着关键作用，从形成雪花和药物到制造先进的电池和脱盐膜。尽管它很重要，但人们对纳米级的结晶知之甚少，主要是因为在这个尺度上直接观察这一过程非常具有挑战性。我的研究通过采用最先进的计算方法克服了这一障碍，使他们能够以前所未有的细节可视化原子相互作用

我的研究发表在《化学科学》上，揭示了盐晶体如何在微小的纳米空间中形成的新细节，这可能为先进材料和改进的电化学技术铺平道路

这项研究使用尖端机器学习技术增强的复杂分子动力学模拟来研究氯化钠（NaCl）（常见的食盐）在被限制在相距仅几十亿分之一米的两个石墨烯片之间时是如何结晶的。这些被称为纳米限制的极端条件，与日常的散装条件相比，极大地改变了分子的行为方式

了解纳米受限空间中结晶是如何发生的，为精确控制晶体结构和性能打开了大门。这些发现可能会导致纳米技术、能源材料和化学工程的革命性进步。

这项研究揭示了几个显著的发现。最值得注意的是，我观察到，与散装水中的盐相比，限制通常会使固体盐晶体更稳定，并显著提高其熔点。这种稳定性错综复杂地取决于石墨烯片之间的确切间距。在某些限制水平下，出现了不常见的晶体结构，包括通常仅在较低温度下稳定的水合盐

使用先进的机器学习方法进行进一步分析，可以深入了解这些异常结晶行为背后的驱动力。该团队利用AI的状态预测信息瓶颈和热力学可解释表示以及其他黑盒范式技术来确定关键反应途径，揭示了限制下晶体形成所必需的分子决定因素

模拟表明，在这些纳米条件下的结晶过程涉及离子、水分子及其约束表面之间精心策划的相互作用。至关重要的是，该团队发现，去除直接围绕离子的水分子，特别是氯离子，起着关键作用。这种除水，再加上极端限制下的独特介电行为，放大了离子之间的库仑力，有利于固体盐结构的形成

这项基础研究意义深远。通过精确理解有利于特定晶体结构的条件，科学家可以更好地控制对先进技术应用至关重要的过程。例如，对纳米受限结晶机制的深入了解可以提高电化学储能装置的效率和稳定性，或者通过先进的脱盐膜实现更好的水净化策略

此外，该研究引入了一种通用的计算框架，结合了增强的采样分子动力学和机器学习分析，可以广泛应用于纳米级的其他复杂化学和物理过程。这种方法在揭示封闭系统中的新行为方面具有巨大的潜力，这些系统是能源储存、催化和制药等各个领域的核心。

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在那里报告他们发表的研究文章中的发现。访问此页面了解有关Science X Dialog以及如何参与的信息 More information: Ruiyu Wang et al, Atomic scale insights into NaCl nucleation in nanoconfined environments, Chemical Science (2024). DOI: 10.1039/D4SC04042B

Journal information: Chemical Science