一直到細胞水平，生命需要水才能生存。

預測液態 H 的流態₂O在分子尺度的管道中擠壓需要一定程度的模擬，目前甚至最強大的計算機也需要這種模擬。

因此，美國的研究人員轉向機器學習弄清楚當水被困在由純碳制成的納米大小的圓柱體中時，水的電特性是如何變化的。

不要讓水表面上的簡單性欺騙了你。在每個分子內部，都有一個氧在超過其公平的電子時間份額的情況下欺負其氫伙伴，從而造成電荷不平衡稱為偶極子.

這種不平衡使水具有不尋常的屬性混合，使其能夠以考慮表面張力的方式松散地粘在一起，或者以凍結時的各種地層變成冰。

裝在疏水性碳納米管內，那是花園品種病毒可能被認為是完美的尺寸咖啡馬克杯，由于水分子的局限性，水分子促進了與電場的相互作用。

確切地知道這種情況是如何以及為什么發生的還沒有得到充分的描述。

“有必要了解密閉液體屏蔽電場的能力，以及這種能力如何與散裝環境不同，”說主要作者Marcos Calegari Andrade，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的材料科學家。

“提高對承壓水介電響應的理解不僅對于推進分離技術很重要，而且對于其他新興應用（如能量存儲和轉換）也很重要。”

介電效應描述了水等材料如何對電場做出反應。當銅線等導電材料以電流的形式傳輸電荷時，介電材料的帶電成分會旋轉以對齊，從而反饋到更廣闊的電場中。

將水分子填充到直徑小于 10 納米的碳納米管中具有揭示了水的新階段在過去和曾經顯示為便于質子沿著水分子的一維鏈轉移得更快。

擴大毛孔尺寸也暗示了在較大的水體中看不到的冰結構的形成。

然而，應用理論框架來解釋這些實驗結果說起來容易做起來難。通過從第一性原理構建模擬，可以構建相對完整的分子行為圖景，但僅限于幾分之一秒的時間尺度上的幾百個原子。

為了確定在腔室中向其他方向運行的介電常數，研究人員通過機器學習過程運行了基本原理。這使得一個更完整的畫面，包括量子效應，以計算勢能和描述單個分子的擺動-擺動。

他們的方法揭示了一種在傳統模擬下不明顯的電子結構，這種結構與沿著水柱軸線延伸的管壁平行構建。

在他們的模擬中，碳納米管軸上的介電常數隨著管直徑的減小而增加。它在 0.79 納米處達到峰值，其中水分子被迫排列在一個文件中。

在這些小尺度上繪制水的介電效應增強圖可以為分子生物學家提供關于水和其他物質通過微小細胞通道流動的重要線索，或者幫助研究人員定制可能在狹小空間的溶液中更有效地發揮作用的藥物。

“對水介電常數的約束效應的基礎研究有利于理解和改進當前的技術，”說Anh Pham，LLNL的計算材料科學家。

這項研究發表在物理化學快報.

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