界面水的微观性质研究获系列进展
2015/11/17 中科院之声

     饮用水短缺、土壤保湿、植物抗旱、生物分子功能的理解以及药物分子的水溶性等都是目前工业社会面临的问题，因此理解微观尺度水的行为及其基本性质具有重要的意义。最近，中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室在相关领域取得系列进展，三篇论文发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)(PRL 115，164502；PRL 115，186101和PRL 115，195901)，英国的ChemistryWorld就其中的部分工作进行了专门报道。

     海水脱盐是解决水资源危机的重要手段之一。尽管现在已有商业化的过滤技术，但是如何降低能耗依然是大问题。自2005年以来，多个实验表明碳纳米管膜具有很好的水透过能力，因而人们预期碳纳米管可以作为性能极佳的海水脱盐膜材料。至今十年过去，尽管碳纳米管膜的合成制造技术已经有了极大的提高，然而并没有相关实验表明碳纳米管膜具有海水脱盐效果。博士生刘健、博士石国升和研究员方海平等，采用经典力场与量子力学计算结合的手段，提出造成这一困局的关键是离子会阻塞碳纳米管。造成这种阻塞的关键原因是离子与碳纳米管中的芳香环之间存在上世纪80年代才发现的阳离子-p相互作用。研究者发现了即使离子水合以后仍然与碳纳米管之间存在着强的阳离子-p相互作用，并建立了相关计算软件。基于此物理机理，研究人员提出了两种可能的改进方案，即管口修饰饱和基团以及施加电场，两者都可以在保持100% 的脱盐率的条件下，将碳纳米管在盐水中的水渗透性能提高到接近(> 60%)其在纯水中的性能。该研究工作被英国的Chemistry World 以《纳米碳管海水脱盐膜研究可以重回正轨》为题进行了专门报道(Nanotube desalination could be put back on track)。

     水分子在细胞组织中占据比例高达70%，在蛋白、核酸、生物膜结构的形成、稳定以及功能的实现中发挥着重要作用，然而人们对水分子如何具体发挥生物功能却知之甚少。即使对于由羧酸为终端的烷链自组装而成的二维仿生膜表面，在25年以来的相关理论和实验研究中，人们也无法理解其表面水的行为和性质。博士生郭盼、研究员方海平等与扬州大学物理科学与技术学院教授涂育松合作，运用量子力学计算和分子动力学模拟研究，发现在室温环境下水分子能够嵌入这个自组装膜表面，与表面的羧酸形成完整稳定的复合结构，这种结构增强了仿生膜的稳定性并使原本超亲水表面展现显著的疏水特性。该项研究是国际上首次发现水分子主动嵌入并形成仿生表面复合结构，解决了以羧酸为终端的烷链自组装仿生表面水性质这个长达25年的谜团。更重要的是，该工作研究的二维自组装仿生膜与真实生物分子(包括生物膜)有着高度的相似性，此项研究提供一个理解“生物水”以及生物水可能承载生物功能方面的新视角。

     自然界中生物和材料表面，比如植物表面、土壤表面以及细菌表面等普遍存在少量甚至纳米尺度的水。这些表面绝大多数的亲疏水性质并不均一，通常是亲水和疏水区域相间的结构。因此表面亲疏水区域相间结构上的少量水蒸发对植物的抗旱，土壤的沙化以及细菌的生存等产生决定性的影响。万荣正、方海平等与浙江农林大学理学院教授周国泉合作，运用分子动力学模拟方法，将纳米尺度三角形亲疏水区域相间结构作为模型研究了纳米尺度水在其表面的蒸发情况，发现在一些特定亲疏水区域相间表面，纳米尺度水的蒸发比所有均一性质表面都快。这一快速蒸发的关键在于亲疏水边界的扩散行为，因此亲疏水区域相间表面上水的蒸发速度会与亲疏水区域边界的总长度相关。此项研究深入了对动植物非均一性质表面上纳米尺度水蒸发的理解。

     这些工作由中国科学院上海应用物理研究所、扬州大学物理科学与技术学院和浙江农林大学理学院的研究人员合作完成，得到了中国科学院、国家自然科学基金委、上海市自然科学基金以及中国科学院北京超算中心和上海超算中心的共同资助和支持。

    

     图1: 溶液中的钠离子可以吸附在碳纳米管的管口或内部，导致碳纳米管中的水流被堵塞

    

     图2：水分子嵌入羧基基团表面所形成的完整稳定的复合结构

    

     图3：纳米尺度表面亲疏水相间结构对少量水蒸发的促进作用

     来源：中国科学院上海应用物理研究所

    

    

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