對水的研究比幾乎任何其他物質都多，但科學家們長期以來一直在爭論一個令人驚訝的簡單問題：當它被擠進只有幾個分子寬的空間時，它的化學性質會發生什麼變化？
這些微小的空間存在於整個自然和技術中，包括奈米級的孔、膜和生物通道。一項新的研究發現，答案比研究人員想像的更加微妙，有助於解決多年來相互矛盾的結果。
為什麼水分解很重要？
水的獨特化學性質之一是它能夠分裂成兩個帶電粒子：H3哦+ （水合氫離子）和 OH– （氫氧根離子）。這個過程決定了 pH 值，pH 值測量溶液的酸性或鹼性（鹼性）程度，並在酸鹼化學中發揮核心作用。它影響一切，從維持細胞正常運作的酵素到電池內部發生的反應。
科學家想要確定將水限制在大約十億分之一公尺的空間內是否會改變這種分裂發生的容易程度。
他們的研究結果發表於 科學進步顯示奈米約束水的表觀化學反應性取決於密度、孔徑、壁柔性和表面化學等因素。
「當我們在相同的熱力學條件下，在完全相同的化學勢（決定反應進程的量）下比較系統時，限制的影響基本上消失了。換句話說，限製本身並不會改變水的反應性。這解釋了為什麼過去十年進行的實驗產生了矛盾的結果，」該研究的主要作者 Xavier R. Adsvincula 說。
“文獻中的矛盾很大程度上是由於科學家無意中比較了不同有效壓力或密度的系統。”
機器學習揭示了缺少的部分
為了研究這個問題，研究人員依靠機器學習模擬來再現量子力學精度，同時使他們能夠研究比傳統計算方法更廣泛的條件。
團隊研究了石墨烯和六方氮化硼（hBN）片之間截留的水。儘管這兩種材料都是一個原子厚並且具有相似的結構，但它們的表面化學性質卻截然不同。
模擬還表明，限制在這些材料之間的水滴會承受非常高的內部壓力。即使不施加外力，石墨烯或六方氮化硼片之間截留的水也能達到數千兆帕的壓力，類似地球內部的壓力。
相反，由於薄原子層之間的范德華吸引力，壓力自然產生。儘管單個原子之間的力很弱，但在二維材料的大表面積上，它變得異常強大，將薄片拉在一起並壓縮它們之間的水。
壓力而非約束驅動水反應
研究人員發現，這些強大的壓力大大增加了水分子的分裂。
然而，當受壓水與承受相同壓力的普通水進行比較時，兩者的表現基本上相同。這表明反應性的增加主要來自壓力，而不僅僅是來自限制。
「最讓我們驚訝的是，明顯的限制效應可以在多大程度上用熱力學來解釋。當壓力和化學勢被正確考慮時，大量的複雜性就簡單地引入了，」劍橋大學優素福·哈米德化學系的安傑洛斯·米夏利德斯教授說。
表面化學仍發揮重要作用
儘管將水擠入狹小的空間本身並不會使其更具反應性，但周圍的材料會影響其化學性質。
氫氧根離子 (OH– ）在與周圍材料化學結合的邊緣周圍形成。這穩定了離子，降低了分解水所需的能量並增加了解離量。
石墨烯沒有觀察到相同的效果，因為其化學惰性表面不參與反應。
結果表明，承壓水周圍的材料可以主動塑造其化學行為。
卡文迪什實驗室凝聚態理論小組的克里斯托夫·施蘭博士說：“這項研究為理解奈米尺度的水化學提供了一個新的框架，並有助於協調十年來看似相互矛盾的研究。”
「更重要的是，這項工作為奈米尺度的工程化學環境提供了實用的設計原理。我們可以通過選擇表面與水離解產物相互作用的材料並控制密閉空間中產生的壓力來調節水的反應性，而不是僅僅關注孔或通道的大小。”
能源技術的潛在應用
這些發現可能對依賴有限水的技術產生重要影響，包括氫燃料電池、電池、離子選擇性薄膜和催化系統。
接下來，研究人員計劃研究更真實的環境，其中存在實際材料中常見的缺陷和邊緣。他們還希望將他們的預測與使用先進光譜和奈米流體技術的實驗室測量結果進行比較。
同時，團隊正在探索二維材料和表面化學的大家族，以確定可以增強或抑制特定技術應用的水反應性的組合。
