纳米限域下的“超离子水”是一种分子级的超离子态

本文报道了一种新型超离子态水——纳米受限超离子水。传统超离子冰（如天王星、海王星内部存在的冰XVIII）需在极端高温高压（约2000开尔文、55吉帕）下形成，此时水分子完全解离为氧离子晶格和自由质子“气体”，属于无机晶体结构。而本研究通过机器学习分子动力学与电子结构计算发现：当水被限制在亚纳米级石墨烯狭缝中时，即使在仅约400开尔文、低吉帕压强（类似范德华材料自然产生的压力）下，也能形成超离子态——且水分子依然保持完整，不发生解离。这种状态因此被称为“分子超离子体”。其高导电性（500开尔文、12吉帕下达0.15–0.17西门子/厘米）源于两个关键机制协同作用：一是氧原子间距显著缩短，大幅降低质子转移能垒；二是受限环境诱导产生“悬空氢键”，使氢键网络更易重排，从而激活经典的格罗图斯（Grotthuss）质子传导机制——即质子沿水分子链快速跳跃传递，并伴随水分子旋转完成氢键重构。研究进一步指出，该过程依赖于“缺陷”（即氢氧根OH⁻和水合氢H₃O⁺离子）的长程扩散，这些缺陷由水的自电离自发产生，浓度远高于普通液态水。与传统超离子材料（如碘化银）类似，其扩散也呈链式、关联运动特征；但区别在于，它始终维持分子结构和格罗图斯机制。作者将此现象提炼为分子超离子体的两条普适设计原则：低电荷载流子迁移势垒 + 高度可重排的氢键网络。该发现不仅拓展了超离子态的定义范畴，也为在近常温常压下设计新型分子超离子材料（如混合氢键体系、界面受限体系或含缺陷多孔框架）提供了明确路径，有望推动下一代固态电池、电化学传感器及纳米尺度离子器件的发展。