当水被困在小洞里时会发生一些非常奇怪的事情

就细胞水平而言，生命需要水才能生存。

预测 H 的液态₂O 要想通过分子尺度的管道，需要一定程度的模拟，目前甚至对最强大的计算机来说也是如此。

于是美国的研究人员转向弄清楚当水被困在由纯碳制成的纳米尺寸圆柱体中时，其电特性如何变化。

不要让水表面的简单欺骗了您。每个分子内部都有一个氧欺负它的氢伙伴，其电子时间超过其公平份额，从而造成电荷不平衡称为偶极子。

这种不平衡使水，使其能够以考虑表面张力的方式松散地粘在一起，或者以某种方式展开变成冰。

包装在疏水性碳纳米管内，是一种花园品种可能被认为是完美的尺寸在杯子中，水分子由于其限制而增强了与电场的相互作用。

尚未完全描述这种情况如何以及为何发生。

“有必要了解密闭液体屏蔽电场的能力以及它与整体环境的差异，”说主要作者马科斯·卡莱加里·安德拉德 (Marcos Calegari Andrade) 是劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的材料科学家。

“更好地了解承压水的介电响应不仅对于推进分离技术很重要，而且对于能量存储和转换等其他新兴应用也很重要。”

介电效应描述了水等材料如何响应电场。在铜线等导电材料以电流形式传输电荷的情况下，介电材料的带电成分会旋转以反馈到更广泛的电场中。

将水分子填充到直径小于10纳米的碳纳米管中揭示了水的新相过去和曾经显示为促进质子沿着一维水分子链更快地转移。

扩大孔径也暗示了在较大的水体中看不到的冰结构的形成。

然而，应用理论框架来解释这些实验结果说起来容易做起来难。通过根据第一原理建立模拟，可以构建相对完整的分子行为图景，但只能在几分之一秒的时间尺度内模拟数百个原子。

为了确定穿过腔室的其他方向的介电常数，研究人员通过机器学习过程运行基本原理。这使得我们能够获得更完整的图像，其中包括计算势能和描述单个分子摆动的量子效应。

他们的方法揭示了一种在传统模拟中不明显的电子结构，该结构平行于沿水柱轴延伸的管壁。

在他们的模拟中，碳纳米管轴上的介电常数随着管直径变小而增加。它在 0.79 纳米处达到峰值，此时水分子被迫排成一列。

在这些小尺度上绘制水介电效应的增强图可以为分子生物学家提供有关水和其他物质通过微小细胞通道流动的重要线索，或者帮助研究人员定制可以在狭小空间内的溶液中更有效地发挥作用的药物。

“对水介电常数的限制效应的基础研究有利于理解和改进现有技术，”说Anh Pham，LLNL 的计算材料科学家。

这项研究发表于物理化学快报杂志。