近日，新葡的京集团35222vip孙维威教授团队在二维MXene材料层间受限水的形态演变与扩散机制研究中取得了重要突破。相关研究成果以“Altered morphology and diffusivity of water confined in MXenes: Machine learning-accelerated computations combined with experiments”（MXene层间限域水的形态与扩散特性：机器学习加速计算结合实验表征）为题发表于国际顶尖学术期刊《Science Advances》。
水在纳米尺度受限环境中的行为与宏观液态水存在本质差异，这一现象不仅广泛存在于生物体系中，也在能源存储、纳米流体等相关领域中发挥着关键作用。二维金属碳氮化合物MXenes作为一类重要的赝电容储能材料，层间受限水被证实对质子传输和最终储能性能至关重要。因此，从界面层面深入理解受限水行为，对于实现离子器件与储能性能的进一步突破具有重要指导意义。同时，MXenes凭借优异的亲水性与丰富的表面端基为探究固液界面相互作用和调控水分子的理化行为提供了理想平台。然而，当前对于限域水的结构演化规律及其扩散机理仍缺乏统一认识，尤其是界面化学环境如何协同影响水分子取向、氢键网络与扩散行为，尚未得到清晰解释。
针对上述问题，研究者采用On-the-fly机器学习加速的从头算分子动力学模拟与多尺度实验表征相结合，系统研究了受限水形态演化与其扩散特性间的内在关联。研究发现，-OH官能团由于能与水分子形成大量稳定的界面氢键，将水分子锚定在界面处，导致极低的扩散速率。相反，-F和-O官能团能促使水分子表现出超快传输特性，这与界面静电势垒升高、氢键寿命缩短以及水分子取向无序密切相关。基于此，确定了界面静电势差、氢键寿命与水分子取向比例这三个决定受限水扩散的核心因素，创新性地构建了指数线性组合的扩散模型(如图所示)，为调控纳米限域水行为提供理论框架。
该研究首次在原子层面统一了固液界面相互作用-限域水结构-动力学的关联机制，不仅加深了对限域固液界面问题的认识，也为MXene材料在电化学储能、海水淡化与流体传感等领域的应用提供了设计指南。
新葡的京集团35222vip是第一完成单位，博士研究生唐佳伟是第一作者，孙维威教授为责任通讯作者。本文合作者还包括荷兰代尔夫特理工大学王雪杭教授（共同通讯作者）、美国橡树岭国家实验室资深研究员Paul R.C. Kent、Jingsong Huang与Naresh Osti等人。该工作还得到了新葡的京集团35222vip孙立涛教授、王金兰教授的支持。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1780