刘源副教授及合作者们在一维冰的结构研究方面取得新进展

在自然界中，纳米限域水很常见，比如沉积岩层之间的水、生物纳米通道内的水以及海水淡化膜层之间的水等。与体相水相比，纳米限域水具有一些独特的性质，如超快传输、极高的相变温度和丰富的相行为等。在碳纳米管限域的条件下，基于分子动力模拟，曾晓成教授及合作者们观察到水分子可以自发地形成一维冰纳米管（INT）结构，并展示出连续相变和一级相变的行为（Nature 2001, 412, 802-805）。从此，冰纳米管作为一种新材料，吸引了无数实验和理论科学工作者对其进行研究，但是目前为止，所有被报道的单壁冰纳米管的结构，其直径均小于1纳米，限制着冰纳米管在各种场景下的潜在应用。

图1.（A）双壁碳纳米管毛细管模型，（B）三种结构类型的冰纳米管分别在碳管间距为0.68 nm, 0.75 nm, 0.81 nm, 0.88 nm, 0.95 nm 和1.02 nm的条件下形成。

最近，中山大学化学工程与技术学院刘源及合作者们，采用双壁碳纳米管毛细管模型，如图1所示，基于分子动力学模拟，观察到水分子可以自发地吸入双壁碳纳米管内并通过一级相变转变为直径大于1纳米的冰纳米管结构。通过调节双壁碳管的间距，三种结构类型的冰纳米管被观察到，分别是四边形平面型冰纳米管（INTs-FSW）、菱形褶皱型冰纳米管（INTs-PRW）和双层六边形型冰纳米管（INTs-BHW），其结构如图2所示。

图2. 三种类型的冰纳米管的分子结构。注：i. 俯视图，ii. 侧视图，iii. 局部放大图。

通过此研究，揭示了直径大于1纳米的冰纳米管的形成方案，丰富了一维冰的结构相，打破了冰纳米管的直径限制，或许对纳米限域环境下的物质输运、药物传递、海水淡化以及纳米流体学相关科学与技术的发展有所启发。

本文发表在ACS Nano期刊上，中山大学化学工程与技术学院刘源副教授和香港城市大学材料科学与工程系博士后江健博士为共同第一作者，参与者有中山大学化学工程与技术学院研究生普杨洋，通讯作者为中山大学化学工程与技术学院刘源副教授，美国宾夕法尼亚大学化学系Joseph S. Francisco教授和香港城市大学材料科学与工程系曾晓成教授。

感谢国家自然科学基金面上项目（No. 22273123）、广东省自然科学基金青年提升项目（No. 2023A1515030187）和中山大学中央高校基本科研业务费（22qntd0801）的支持。

     全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00720