纳米受限水的特性及临界相变研究

水具有有别于其它液体的一些异常特性,并认为这是它在从宏观世界到微观生物都有不可替代作用的主要原因。然而对于水的特性机理，我们的认识还非常有限。理论上提出了水的特性是由于过冷区存在一个液体-液体的临界相变产生的。但该理论在实验上的验证，由于难以避免系统结晶而不能直接在实验上验证，因此只能借助于受限系统。但受限界面和受限尺度对水的特性可能会产生影响，因此研究受限系统的各项因素对水的特性的影响着将直接关系着我们对受限系统实验数据的正确解读和对理论的验证。本项目将着重探讨受限界面及受限尺度对水的相图、临界相变及其特性的影响。我们的研究将在很大程度上阐明受限系统中的各项因素对系统的实际影响，并从与实验结果比较，从而在解决长期极具争议的受限系统与非受限系统的共性和异性问题，并为实验结果的解释提供理论基础，同时也为进一步拓展临界相变理论在受限尺度下的发展提供有意义的参考。

水有很多不同于其他物质的反常特性。目前有几种不同理论观点解释其反常性质，其中液体－液体相变理论最受关注。该理论预测的两种液态的相变在极易结晶的深过冷区，因此直接的实验验证面临诸多挑战。目前实验主要是通过受限降低结晶温度来解决这一难题。但是受限本身引进了额外的自由度，如受限尺度、界面结构与化学性质等，因此受限体系的结果在多大程度上能反映非受限水的性质是值得深入探讨的问题。. 本项目利用分子动力学全分子模拟，采用即复制水的各类反常特性的粗粒化模型（Jagla模型），研究了受限对体系液体－液体相变及其液体－固体相变的影响，特别是受限尺度、界面结构与化学性质对水的相图及特性的影响。取得如下成果：.1）受限尺度对液体临界点的影响：a）受限使得临界点向更低的温度和更高的压强的相区间移动，当尺度小到仅容纳5个液体层时，临界点消失；b）液体临界点随界面疏水性增加而向低温低压移动，但界面结构（光滑界、粗糙界面等）对液体相变临界点的影响不明显。与非受限液体相比，亲水受限液体的临界相变点在更低温度和更高的压强区间。因此，正确解释实验测量的受限液体相图时需要考虑以上几个因素影响。.2）受限界面化学性质对反常特性影响：a）疏水界面使密度反常极值线随着受限尺寸减小平移到更低温度，而亲水界面则使密度反常极值线随着受限尺寸减小向高温平移；b）受限液体扩散系数反常也向低温和高压区平移。.3）受限对液体－固体相变的影响：a）受限体系的结晶机制取决于受限界面的结构，而与界面的亲疏水性和受限尺寸（除极端受限情况，如受限尺寸仅容纳两个液体层）的关系不明显。粗糙界面受限下结晶类似于均匀成核过程，而理想光滑界面受限下结晶类似于界面诱导的结晶过程（从界面开始）；b) 理想光滑受限界面的亲水性越强，受限液体结晶所需要时间越短；非晶结构界面亲水性越强受限液体结晶所需要时间越长。因此，受限尺寸、受限界面结构、以及化学性质都对液体的结晶速率或者难易程度有重要影响。. 项目资助发表SCI论文14篇，包括PRL2篇、PNAS1篇、Nature子刊1篇等。本项目研究在很大程度上阐明了受限系统中的各项因素对系统性质的实际影响,为合理解释长期极具争议的受限系统与非受限系统的共性和异性问题的实验结果提供了理论基础,同时也为进一步拓展受限尺度下临界相变理论提供参考。