纳米受限冰中的准一维氢键

Bernal-Fowler冰规则规定，冰晶中的每个水分子应形成四个氢键。然而，在极端或受限条件下，水分子的排列偏离常规冰规则，导致其性质与体相水显著不同。在本研究中，我们采用机器学习驱动的第一性原理模拟，揭示了纳米受限冰相中超越常规冰规则的新稳定机制。纳米受限结晶冰不形成四个氢键，而是可以形成准一维氢键结构，其中每个水分子仅表现出两个氢键。这些结构由强氢键结合的水分子线性链组成，这些链沿一个维度呈锯齿状排列，并通过van der Waals相互作用将这些链沿另一维度堆叠而得以稳定。纳米受限冰中氢键与van der Waals相互作用的异常相互作用导致了非典型的质子行为，如潜在的铁电行为、低介电响应和长程质子动力学。