单层限域水的第一性原理相图

纳米尺度空腔中的水无处不在，并对地质与生物中的日常现象具有核心重要性。然而，纳米尺度水的性质可能与体相水截然不同，例如纳米通道中水异常低的介电常数[1]、近无摩擦的水流[2]，或可能存在方形冰相[3]。这些性质表明，纳米限域水可被设计用于纳流控[4]、电解质材料[5]和水脱盐[6]等技术应用。遗憾的是，纳米尺度水实验表征的挑战以及第一性原理模拟的高成本，阻碍了对控制水行为所需的分子层面理解。在此，我们结合一系列计算方法，实现了类石墨烯通道中单层水的第一性原理层面研究。我们发现单层水展现出惊人地丰富且多样的相行为，其对温度和纳米通道内作用的范德华压力高度敏感。除熔点随压力非单调变化超过 400 度的多个分子相外，我们预测了一个介于固态与液态之间的六方相，以及具有超过电池材料电导率的高电导率的超离子相。值得注意的是，这表明纳米限域可能是在易实现条件下获得超离子行为的一条有前景的途径。