《国家科学评论》：揭开受限水的类量子面纱近期

近期，我校航空学院纳米科学研究所团队在微纳尺度受限水研究方面取得重要研究进展，相关成果以“An analog of Friedeloscillations in nanoconfined water”为题在线发表在国产综合类期刊《国家科学评论》(National Science Review)上。
物理、力学等领域的研究一般从理想体系出发，但实际体系的行为通常会受到缺陷、杂质等干扰。因此，人们一直试图理解缺陷、杂质等引起的局部扰动对(准)粒子体系(如费米液体，最典型如金属中的电子)的影响，并发现电子等会产生有趣的密度振荡行为(如下图) 。这一现象被称为弗里德尔振荡（Friedel oscillations），是量子效应的一种体现。在一维受限体系中，费米子间的相互作用变得突出，使得弗里德尔振荡行为更显著。
【《国家科学评论》：揭开受限水的类量子面纱】

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图1. 金属表面的正电荷杂质导致电子密度产生弗里德尔振荡。
无独有偶，这种由维度降低引致的行为转变现象在分子受限体系中也普遍存在，如低维受限水的相变。研究低维受限水，不仅能促进微纳流器件的发展，对理解生物质的传输也大有裨益。另一方面，自然界或人工合成的纳米尺度的受限水体系往往受到孔道表面不平整、化学修饰、吸附杂质、电荷不均匀等因素引起的扰动。那么，分子体系是否也会产生类似量子体系中的弗里德尔振荡的行为呢？
近日，我校纳米科学研究所团队基于大规模分子动力学模拟研究了局部扰动下一维受限水的结构和动力学行为，揭开了受限水的量子面纱--类弗里德尔振荡。研究发现局部扰动下一维受限水密度在轴向产生明显的振荡，并随着距离衰减，与量子体系中的弗里德尔振荡行为极为相似。并且，他们通过模拟证明该现象存在于不同形式的扰动体系，并与量子体系的振荡在多个特征上相呼应。团队进一步通过物理力学模型的构建，阐明了这种类弗里德尔振荡的强度和衰减速度分别取决于扰动的强度和水分子的偶极关联度。更惊人的是，受限水的分子密度振荡能对通道内的离子产生斥力，从而远程阻隔离子的输运。这对受限溶液中离子的输运产生了独特的调控作用，不仅为生物体系中的信号传输带来了新认识，而且在海水淡化等领域具有广阔的应用前景。
图2.(a) 一维受限水在局部扰动下轴向密度产生类弗里德尔振荡。(b) 一维受限水的类弗里德尔振荡导致离子阻塞行为。

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上述研究结果揭示了受限水鲜为人知的类量子行为，开辟了微纳受限流体传质调控的新途径；该论文成果第一作者为航空学院薛敏珉博士，通讯作者为张助华教授和郭万林院士，共同作者还包括仇虎教授、胡知力博士和沈纯博士。
来源：九派新闻