基于第一性原理的纳米受限单层冰的结构与构型性质

理解纳米受限水的结构倾向对于纳米科学和生物学具有重要意义，因为在这些领域中纳米/微米级物体可能仅由极少层水分子隔开。在此，我们研究了由无特征、化学中性势场限制在准二维单层中的冰的性质，以表征其本征行为。我们使用了带有非局域范德华密度泛函的密度泛函理论模拟。从头算随机结构搜索显示，所有能量上具有竞争力的单层构型均属于先前确定的两个家族之一，分别以方形或蜂窝状氢键网络为特征。我们讨论了每种网络所需的修正冰规则，并提出了一种简单的点偶极子二维晶格模型，成功解释了方形构型的能量学。研究发现，两种网络的所有已识别稳定相均为非极性（但方形具有拓扑非平凡纹理），因此是非铁电的，这与之前基于五点位经验力场模型的预测形成对比。我们的结果与最近报道的实验观测结果吻合良好。