水的研究几乎超过了其他任何物质，但科学家们长期以来一直在争论一个令人惊讶的简单问题：当水被挤压到仅有几分子宽的空间时，它的化学性质会发生什么变化？这些微小的空间在自然界和技术中随处可见，包括纳米级的孔、膜和生物通道。一项新的研究发现，答案比研究人员曾经相信的要更加细致，帮助解释了数年来的不一致结果。 水分解的重要性 水的一个定义化学特性是它能够分解为两个带电粒子：H3O+(氢离子)和OH-(氢氧根离子)。这个过程决定了pH值，pH值衡量一个溶液的酸性或碱性，并在酸碱化学中发挥核心作用。它影响从保持细胞正常运作的酶到电池内部发生的反应的一切。科学家想要确定将水限制在仅有十亿分之一米的空间中是否会改变这种分解的发生程度。他们在《科学进展》上发表的研究结果表明，纳米限制水的表观化学反应性在很大程度上依赖于诸如密度、孔径、壁的柔韧性和表面化学等因素。 “当我们比较在相同热力学条件下的系统时——特定是在相同的化学潜能下（决定反应进行的量），限制的影响基本上消失。换句话说，限制本身并不会本质上改变水的反应性。这解释了过去十年实验结果矛盾的原因，”研究的主要作者哈维尔·R·阿德文库拉说。“文献中的矛盾在很大程度上是因为科学家们在没有意识到这一点的情况下，比较了在不同有效压力或密度下的系统。” 机器学习揭示了关键因素 为了解决问题，研究人员依赖机器学习模拟，这些模拟能够再现量子力学的准确性，同时让他们研究比传统计算方法更广泛的条件。团队调查了困在石墨烯和六方氮化硼(hBN)薄片之间的水。尽管这两种材料的厚度只有一个原子，并且结构相似，但它们的表面化学却非常不同。模拟还揭示，困在这些材料之间的水滴经历了极高的内部压力。在石墨烯或hBN薄片之间的水的压力可以达到几吉帕，类似于处于地球深处的压力，尽管没有施加外部力。相反，这种压力是由于原子薄层之间的范德华吸引力自然产生的。虽然单个原子的力较弱，但在二维材料的大表面积上，它变得相当强大，将薄片拉在一起并压缩它们之间的水。 压力而非限制驱动水的反应性 研究人员发现，这些强大的压力大大增加了水分子的分解。然而，当他们将限制的水与在相同压力下暴露的普通大块水进行比较时，结果表现基本相同。这表明，增加的反应性主要来自压力本身，而不仅仅是限制。 “让我们最惊讶的是，表观限制效应的很多可以用热力学来解释。一旦适当地考虑压力和化学潜能，复杂性就会简化，”剑桥大学尤瑟夫·哈米德化学系的安杰洛斯·迈克利德斯教授说。 表面化学仍然发挥重要作用 尽管仅仅将水挤入微小空间并不会本质上使其更具反应性，但周围的材料仍可以影响其化学性质。被hBN限制的水滴中的氢氧根离子（OH-）在边缘与周围材料发生化学键合。这使离子稳定，降低了水分解所需的能量，并提高了电离量。在石墨烯中未观察到相同的效果，因为其化学惰性表面不参与反应。结果表明，困住水的周围材料可以主动塑造其化学行为。 “这一研究为理解纳米尺度的水化学提供了一个新的框架，并有助于调和十年来看来矛盾的研究，最重要的是，这项工作提供了一项实用的设计原则，用于工程纳米尺度的化学环境。与单纯关注孔或通道的大小不同，我们可以通过选择与水电离产物相互作用的限制材料表面，并控制压力，从而定制水的反应性。”