揭开水和冰在极端条件下意想不到的行为

深入探索纳米孔中水的行为，对于科学和实际应用都至关重要。香港城市大学（城大）的科学家揭开了水和冰在高压、不同温度和强限制条件下的一系列全新且有趣的行为。这些发现与日常生活中观察到水的正常行为相悖，有助增进对极端环境中水的不寻常特性的理解，例如在遥远的冰行星的核心。这一重大科学进展的影响跨越多个领域，包括行星科学、能源科学和纳米流体工程。

城大材料科学及工程学系系主任及讲座教授曾晓成教授带领研究团队，采用最先进的计算方法模拟极端条件下水和冰的性质。通过机器学习作用势、晶体结构搜索、路径积分分子动力学和元动力学，他们对纳米受限下的单层和双层水进行了全面系统的模拟。这些模拟揭示了一系列有趣的现象，包括二维（2D）冰-水相变、冰的相行为、水分子的分解和纳米受限冰中全新的质子动力学。

研究团队发现了十种新的二维（2D）冰相，每种冰相都表现出独特的特征。值得注意的是，他们揭示了一种具有对称O-H-O分子结构的二维（2D）冰，让人联想起地球上最高密度的三维（3D）冰十 (Ice X)。此外，他们还观察到动态部分离子冰和几种超离子冰。与具有相似水密度的三维（3D）冰相相比，这些二维（2D）冰相出乎意料地可以在更低的压力下产生，因此能更易在实验室环境中产生。

曾教授强调该研究成果的重要性，指出它们代表了在极端条件下对水和冰的物理和化学的全新理解，特别是在冰巨行星的核心内。他补充：“在实验室条件下以远低于以往认为需要的超高压强产生这些冰及分解水形态（包括部分离子化动态冰及超离子化冰）将成为可能，实在令人振奋。”

探索水和冰在不同条件下的行为是一项非常复杂的任务，尤其是在引入了纳米尺度受限的体系中。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，并产生了关于水行为庞大的数据库。从庞大的数据结果中获取有意义的见解就像是大海捞针一样极具挑战。

这次重要的科学发现为未来研究冰巨行星内部水分子的奥秘及水的基本性质铺平了道路。研究团队期待未来实验科学家的实验研究，以验证这些理论计算预测并探索实际应用。曾教授对这项研究的潜力充满了期待，认为这能加深我们对极端环境下水、冰及水分子分解的理解，并在纳米科学和行星科学研究领域开辟了新的前沿。

这项研究成果最近已在科学期刊《自然-物理学》(Nature Physics)上发表，题为<Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices>。

如有查询，欢迎联络城大材料科学及工程学系系主任及讲座教授曾晓成教授（电邮：xzeng26@cityu.edu.hk）。