當(dāng)水被困在小洞中時(shí)，它會(huì)做一些非常奇怪的事情

一直到細(xì)胞水平，生命需要水才能生存。

預(yù)測(cè)液態(tài) H 的流態(tài)₂O在分子尺度的管道中擠壓需要一定程度的模擬，目前甚至最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也需要這種模擬。

因此，美國的研究人員轉(zhuǎn)向機(jī)器學(xué)習(xí)弄清楚當(dāng)水被困在由純碳制成的納米大小的圓柱體中時(shí)，水的電特性是如何變化的。

不要讓水表面上的簡(jiǎn)單性欺騙了你。在每個(gè)分子內(nèi)部，都有一個(gè)氧在超過其公平的電子時(shí)間份額的情況下欺負(fù)其氫伙伴，從而造成電荷不平衡稱為偶極子.

這種不平衡使水具有不尋常的屬性混合，使其能夠以考慮表面張力的方式松散地粘在一起，或者以凍結(jié)時(shí)的各種地層變成冰。

裝在疏水性碳納米管內(nèi)，那是花園品種病毒可能被認(rèn)為是完美的尺寸咖啡馬克杯，由于水分子的局限性，水分子促進(jìn)了與電場(chǎng)的相互作用。

確切地知道這種情況是如何以及為什么發(fā)生的還沒有得到充分的描述。

“有必要了解密閉液體屏蔽電場(chǎng)的能力，以及這種能力如何與散裝環(huán)境不同，”說主要作者M(jìn)arcos Calegari Andrade，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的材料科學(xué)家。

“提高對(duì)承壓水介電響應(yīng)的理解不僅對(duì)于推進(jìn)分離技術(shù)很重要，而且對(duì)于其他新興應(yīng)用（如能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換）也很重要?！?/p>

介電效應(yīng)描述了水等材料如何對(duì)電場(chǎng)做出反應(yīng)。當(dāng)銅線等導(dǎo)電材料以電流的形式傳輸電荷時(shí)，介電材料的帶電成分會(huì)旋轉(zhuǎn)以對(duì)齊，從而反饋到更廣闊的電場(chǎng)中。

將水分子填充到直徑小于 10 納米的碳納米管中具有揭示了水的新階段在過去和曾經(jīng)顯示為便于質(zhì)子沿著水分子的一維鏈轉(zhuǎn)移得更快。

擴(kuò)大毛孔尺寸也暗示了在較大的水體中看不到的冰結(jié)構(gòu)的形成。

然而，應(yīng)用理論框架來解釋這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說起來容易做起來難。通過從第一性原理構(gòu)建模擬，可以構(gòu)建相對(duì)完整的分子行為圖景，但僅限于幾分之一秒的時(shí)間尺度上的幾百個(gè)原子。

為了確定在腔室中向其他方向運(yùn)行的介電常數(shù)，研究人員通過機(jī)器學(xué)習(xí)過程運(yùn)行了基本原理。這使得一個(gè)更完整的畫面，包括量子效應(yīng)，以計(jì)算勢(shì)能和描述單個(gè)分子的擺動(dòng)-擺動(dòng)。

他們的方法揭示了一種在傳統(tǒng)模擬下不明顯的電子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與沿著水柱軸線延伸的管壁平行構(gòu)建。

在他們的模擬中，碳納米管軸上的介電常數(shù)隨著管直徑的減小而增加。它在 0.79 納米處達(dá)到峰值，其中水分子被迫排列在一個(gè)文件中。

在這些小尺度上繪制水的介電效應(yīng)增強(qiáng)圖可以為分子生物學(xué)家提供關(guān)于水和其他物質(zhì)通過微小細(xì)胞通道流動(dòng)的重要線索，或者幫助研究人員定制可能在狹小空間的溶液中更有效地發(fā)揮作用的藥物。

“對(duì)水介電常數(shù)的約束效應(yīng)的基礎(chǔ)研究有利于理解和改進(jìn)當(dāng)前的技術(shù)，”說Anh Pham，LLNL的計(jì)算材料科學(xué)家。

這項(xiàng)研究發(fā)表在物理化學(xué)快報(bào).

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