中子谱学与分子动力学模拟研究疏水碳微孔内水的扩散动力学

当水分子被限制在纳米尺度的空间内时，例如在活性炭纤维 (ACF) 的纳米级孔隙中，其冰点会被抑制到非常低的温度（$\sim$ 150 K），从而导致具有显著物理性质的亚稳态液态。我们研究了常压下微孔 Kynol\texttrademark ACF-10（平均孔径 $\sim$11.6 {\AA}，主要为狭缝状孔隙）中水的扩散动力学，温度范围从其稳定液态的 $T=$ 280 K 到亚稳态过冷相的 $T=$ 230 K。观测到的特征弛豫时间和扩散系数分别高于和低于体相水，表明随着温度降低，水的流动性减慢。将观测到的温度依赖性平均弛豫时间 $<\tau>$ 与先前的研究结果进行比较表明，对于大于 10 {\AA} 的孔径，主要是限制孔隙的尺寸而非其形状影响了水的动力学。我们将实验观测结果与互补的分子动力学模拟进行了比较，在该模拟中我们研究了水在两个平行石墨烯片之间 11.6 {\AA} 间隙内的扩散。我们发现，在低动量转移 $Q$ ($Q\le 0.9$ \AA${^{-1}}$) 下，观测到的和计算出的弛豫时间总体上合理吻合。然而，在高 $Q$ 下，局部动力学变得相关，该理想系统无法令人满意地重现实验测量结果。当使用代表性的拉伸指数函数而非标准的双模指数模型来参数化自相关函数 $I(Q,t)$ 时，与氢位点相关的扩散参数 $D$ 获得了最佳吻合。