深入探索納米孔中水的行為，對於科學和實際應用都至關重要。香港城市大學（城大）的科學家揭開了水和冰在高壓、不同溫度和強限制條件下的一系列全新且有趣的行為。城大表示，這些發現與日常生活中觀察到的水的正常行為相悖，有助增進對極端環境中水的不尋常特性的理解，例如在遙遠的冰行星的核心。這一重大科學進展的影響跨越多個領域，包括行星科學、能源科學和納米流體工程。

冰巨星上的水和冰（圖片來源：香港城市大學江健博士）

城大材料科學及工程學系系主任及講座教授曾曉成教授帶領研究團隊，採用最先進的計算方法模擬極端條件下水和冰的性質。通過對粒子作用勢、晶體結構搜索、路徑積分分子動力學、元動力學的機器學習，他們對納米受限下的單層和雙層水進行了全面系統的模擬。這些模擬揭示了一系列有趣的現象，包括二維冰 － 水相變、冰的相行為、水分子的分解、納米受限冰中全新的質子動力學。

研究團隊發現了十種新的二維冰相，每種冰相都表現出獨特的特徵。值得注意的是，他們揭示了一種具有對稱 O-H-O 分子結構的二維冰，讓人聯想起地球上最高密度的三維冰十（Ice X）。此外，他們還觀察到動態部分離子冰和幾種超離子冰。相比起與水有相似密度的三維冰相，這些二維冰相出乎意料地可以在更低的壓力下產生，因此能更易在實驗室環境中產生。

體相冰十（ice X）（左）和最新預測的鋸齒狀單層冰（右）（圖片來源：香港城市大學江健博士）

曾教授強調該研究成果的重要性，指出它們代表了極端條件下對水和冰的物理和化學的全新理解，特別是在冰巨星的核心內。他補充：「在實驗室條件下以遠低於以往認為需要的超高壓強產生這些冰及分解水形態（包括部分離子化動態冰及超離子化冰）將成為可能，實在令人振奮。」

探索水和冰在不同條件下的行為是一項非常複雜的任務，尤其是引入了納米尺度受限的體系。研究團隊通過大量的分子動力學和路徑積分分子動力學模擬來應對這一挑戰，並產生了關於水行為龐大的數據庫。從龐大的數據結果中獲取有意義的見解，就像是大海撈針一樣極具挑戰。

研究團隊表示，這次重要的科學發現，為未來研究冰巨星內部水分子的奧秘及水的基本性質鋪平了道路。團隊期待未來實驗科學家的研究可驗證這些理論計算並探索實際應用。曾教授對這項研究的潛力充滿了期待，認為這能加深我們對極端環境下水、冰及水分子分解的理解，並在納米科學和行星科學研究領域開闢了新的前沿。

這項研究成果最近已在科學期刊《自然 － 物理學》（Nature Physics）上發表，題為 Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices。

（左起）香港城市大學材料科學及工程學系曾曉成教授及江健博士（圖片來源：香港城市大學曾曉成教授）

來源：香港城市大學

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