在常温下观察纳米约束水的液-固相转变
介观与纳米尺度物理
2026-01-14 v1
摘要
纳米约束水在生物学、化学和工程学中发挥着不可忽视的作用。它在强约束下表现出许多与bulk水不同的异常特性。然而，由于缺乏氢键网络的结构信息，这些异常的起源仍然尚不清楚。考虑到纳米腔体的非均匀性以及水分子的微小数量，传统的光谱学和核磁共振(NMR)技术难以实现纳米约束水的结构分析。本文通过将扫描探针显微镜(SPM)与基于原子大小量子传感器(如氮空位(NV)中心在金刚石中的QS)的先进量子传感技术相结合，实现了在常温条件下对约束水进行结构分析的纳米尺度NMR。我们构建了一个由石掌石(hBN)片和亲水金刚石表面构成的二维纳米约束水系统。通过使用SPM探针精确测量约束尺寸，我们观察到一个临界约束尺寸约为2 nm，低于该尺寸时，水的扩散显著抑制，氢键网络表现出有序结构。与此同时，分子动力学(MD)模拟揭示了在强约束下，水接触金刚石表面的一层呈现类固体特性，这也再现了测量的纳米尺度NMR光谱并确认了实验中观察到的液-固相转变。值得注意的是，借助这一新的SPM-QS平台，我们的结果为在未来应用中阐明纳米约束水的异常特性指明了前景。
引用
@article{arxiv.2412.15001,
title = {Observation of liquid-solid transition of nanoconfined water at ambient temperature},
author = {Wentian Zheng and Shichen Zhang and Jian Jiang and Yipeng He and Rainer Stöhr and Andrej Denisenko and Jörg Wrachtrup and Xiao Cheng Zeng and Ke Bian and En-Ge Wang and Ying Jiang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.15001},
year = {2026}
}