常温下受限水的二维方形冰结构研究取得重要进展

　　水是地球上最常见的物质之一，也是生物体最重要的组成部分，被誉为是生命之源。众所周知，水以液体、气体以及固体等形态存在。然而，界面处或者受限空间内水的结构和动力学行为却并不完全为人们所熟知。此前，我校工程科学学院材料力学行为和设计中国科学院重点实验室吴恒安教授在英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组做访问学者期间，结合水蒸汽几乎无障碍通过氧化石墨烯薄膜纳米通道的实验结果，基于分子动力学模拟从理论上预测了水分子在石墨烯纳米通道自发形成二维方形类固体结构，该结构被认为是水分子快速通过石墨烯通道的原因，研究成果发表在2012年1月27日出版的国际著名期刊Science上（Science, 335 (6067): 442-444, 2012）。

　　近日，吴恒安教授和王奉超特任副研究员与英国曼彻斯特大学Andre Geim教授课题组以及德国乌尔姆大学Ute Kaiser教授课题组合作，在受限水结构研究方面取得突破性进展，首次观察到石墨烯毛细通道中常温下的受限水以二维方形冰结构的形式存在。研究成果以“Square ice in graphene nanocapillaries”为题发表在3月26日出版的国际著名期刊Nature上（Nature, 519 (7544): 443-445, 2015），我校吴恒安教授是该文共同通讯作者。

　　由德国、中国、英国三国组成的联合研究团队通过实验和模拟发现在常温下受限于石墨烯片之间的水会整齐排列成规则的二维方形结构，这是常温下水的一种全新存在形式，突破了长久以来人们对冰的已有认识，该研究成果对于解释低维空间内水的快速输运具有重要意义。吴恒安教授课题组在该项工作中做出的核心贡献是采用分子动力学模拟揭示了二维方形冰形成机理，石墨烯片之间的范德华力相互作用对受限水施加1.0GPa左右的横向压强（类毛细压），受限水中的氢键网络从层间向面内转变从而形成有序的方形晶体结构。模拟结果还预测，该二维方形冰结构在受限空间内是普遍存在的，在非石墨烯片及多种不同表面性质的毛细通道内也可能观察到该特殊方形冰结构的形成。

　　Nature网站以首页头条形式第一时间对该成果进行了报道，并在新闻配图上标注了University of Science and technology of China。同期Nature的新闻视点栏目（NEWS &VIEWS）邀请国际著名水科学家Alan K. Soper（英国皇家学会院士）以“Square ice in a graphene sandwich”为题对该成果进行了重点评论和展望。评论指出，该成果首次明确阐述了水在石墨烯毛细通道内的形态和范德华力在纳米尺度下起到的重要作用，有助于人们进一步认识生物通道内或表面水的输运机制和流动控制机理。

　　这项成果可看作是理论和实验相结合的成功范例，体现了微纳米力学模型和数值模拟在发现新现象和探索新机理方面的重要作用。早在1953年，时任美国加州理工学院喷气推进实验室讲席教授的钱学森先生就提出物理力学思想（Physical Mechanics, a New Field in Engineering Science, Journal of the American Rocket Society, 23(1): 14-16），旨在从微观尺度来预测材料的宏观力学行为。1990年代初，钱学森先生建议我校近代力学系开展细观结构调控材料力学行为和材料设计研究。近代力学系积极响应、凝聚相关力量，经过几年努力于2000年获准正式建立了中国科学院材料力学行为和设计重点实验室。十余年来，实验室以细观结构为切入点，以先进实验技术为先导，逐步形成了细观实验力学、多尺度模拟与建模、细观结构调控与设计三个相互支撑、紧密协作的研究团队。

　　这项国际合作研究得到了国家自然科学基金面上项目的资助以及中国科学技术大学超算中心的支持。

　　（中国科学院材料力学行为和设计重点实验室、工程科学学院、科研部）