水单层相变与多形相变中引自由度的贡献

纳米约束水在纳米流体力学、生物学和前沿技术中发挥关键作用。水单层和准二维约束水的熔化过程包含一个中间态——六相态：介于固体和液体之间，由准长程定向有序和短程平移有序特征界定。然而，氢键（HB）合作性在这一过程中尚未得到充分考察。这一空白阻碍了我们对约束水相行为的理解，并限制了模型精度。为填补这一空白，我们扩展了Franzese和Stanley所developed的水模型，明确包含HB的多体相互作用（MBIs）。我们区分了三体和五体HB-MBIs的贡献。通过蒙特卡洛模拟（于正压正温ensemble中），我们得到了详细的压力-温度相图，揭示了多形相变和六角相变：低密度方形冰和高密度三角形冰由不同的六相态与液态相分离。三体相互作用显著促进结晶，可能使低密度六相失稳；而协作的五体相互作用则有助于恢复其稳定性，从而修改了热力学景观。这些发现表明，HB-MBIs是约束水相行为决定因素，影响特定热、最大密度线以及液-液临界点的可及性。除推进理论理解外，这些结果对纳米流体力学、界面科学及生物学、食品技术和制药等领域具有广泛意义，其中控制约束水至关重要。