理解受限水的异常低介电常数：一项第一性原理研究
化学物理
2022-11-28 v1
摘要
近期实验表明，限制在石墨和六方氮化硼（hBN）纳米狭缝中的水，其面外介电常数极小。尽管主要基于经典力场分子动力学（FFMD）方法进行了广泛研究，该现象的起源仍存在争议。此处我们使用第一性原理分子动力学模拟（AIMD）和 AIMD 训练的机器学习势来探究限制在石墨烯和 hBN 狭缝内水的结构与电子性质。我们发现减小的介电常数主要源于靠近固体界面的前两层水中，水分子偶极子沿垂直于表面的方向的反平行排列。尽管水分子保持类液流动性，界面层表现出净铁电有序和受限的氢键取向，导致室温下面外方向的极化涨落大幅减小。重要的是，我们表明该效应与狭缝两限制表面间的距离无关，且其起源于界面水的自发极化。我们的计算还显示，尽管石墨烯和 hBN 具有不同的电子结构，其附近水的结构和极化无显著变化。这些结果十分重要，因为它们对水的这一性质提供了新的见解，该性质在表面间的长程相互作用、双电层形成、离子溶剂化与输运以及生物分子功能中发挥关键作用。
引用
@article{arxiv.2211.14035,
title = {Understanding the anomalously low dielectric constant of confined water: an ab initio study},
author = {Thomas Dufils and Christoph Schran and Ji Chen and Andre K. Geim and Laura Fumagalli and Angelos Michaelides},
journal= {arXiv preprint arXiv:2211.14035},
year = {2022}
}