量和曼彻统中子系性方牛斯特受限水分发出法测的氢度 革命预测材料家开键强科学

一、曼彻 【导读】  

曼彻斯特大学的斯特受限水分研究人员开发出了一种开创性方法，用于量化氢键作用力，科学这一突破有望彻底改变我们对生物系统中水的家开理解，并推动材料科学的发出法测发展。

受限空间中的革命水的行为对于生物、环境和技术系统都具有重要意义。性方系统曼彻斯特大学Mishchenko 教授、量和杨倩博士和王子微博士领导的预测研究团队开发出了一种革命性的方法，可精确测量和量化受限水体系中氢键的氢键强度强度。他们的材料研究成果本周发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂质上。此项工作提出了一种全新的曼彻概念框架，用于理解这一自然界中最重要但却难以量化的斯特受限水分化学相互作用之一。

二、科学【成果掠影】

氢键是家开一种至关重要的相互作用力，使水具备诸如高沸点、高表面张力等独特性质，并在蛋白质折叠、DNA 结构等过程中发挥关键作用。然而，尽管氢键的重要性毋庸置疑，其强度的量化却一直是科学界难以攻克的难题。

“几十年来，科学家一直在努力寻找准确测量和预测复杂环境中氢键强度的方法，”Mishchenko 教授解释道。“我们提出的新方法将氢键视为偶极子与电场之间的静电相互作用，使我们能够直接从光谱测量中计算出氢键的强度。”

 三、【核心创新点】

研究团队提出了一种全新的模型，将水试做弹性电偶极子，并且把来自附近原子的氢键相互作用视作静电场，通过计算电偶极子与电场的相互作用得到氢键的诸多性质。随后该团队以天然层状矿物二水硫酸钙（CaSO₄·2H₂O）为模型体系，对该模型进行了验证。二水硫酸钙中包含二维空间受限的晶体水分子。通过向夹在硫酸钙层之间的水分子施加外加电场，并利用高精度光谱技术测量其振动响应，团队首次以空前的精度标定了氢键强度。

“我们的方法之所以具有革命性，在于它的预测能力，”杨倩博士表示。“只需一次简单的光谱测量，我们就能预测受限水的多种性质——这些性质在过去往往依赖于复杂的模拟，甚至根本无法获得。”

 四、【数据概览】

氢键的本质是一种静电相互作用。如图1a-b所示，该工作将氢键等效为在电场中的电偶极子，来自于氢键的电场会对偶极子起到收缩或拉伸的作用，这种作用直接反应在水的分子振动频率上。通过测量水分子在不同系统中的振动频率可以计算偶极子和静电场的相互作用，以得到系统中氢键的各种性质。

二水硫酸钙是一种二维层状矿物，其结构中包含二维受限的双水分子层（图1c）。如图1d所示，在该系统中存在两种类型的氢键，第一种是层间氢键（在HB原子上形成），这种氢键长度较长，强度较弱；另一种是层内氢键，该种氢键长度较短，强度较高（在HA原子上形成）。这两种不同的氢键使得水分子的几何对称性降低，从而使水分子的两种伸缩振动模式分别退耦合在两种不同的O-H键上：3400 cm-1波数的振动主要来自于O-HA的伸缩振动，3495 cm-1波数的振动主要来自于O-HB的伸缩振动（图1e-f）。这为我们分别研究单个O-H偶极子的振动提供了良好的平台。

为了研究电场扰动下二水硫酸钙中的二维受限水分子的振动，该团队制备了石墨与二水硫酸钙的异质结，通过上下石墨施加外电场，并对水分子的伸缩振动进行原位表征（图2a-b）。实验发现，二水硫酸钙中位于两种不同氢键环境中的O-H键均表现出电场可调控的伸缩振动模式。外加电场的静电影响与晶体内部的内建电场进行叠加，对两个O-H电偶极产生伸缩或拉伸。图2c-e总结了电场调控的实验数据，这让我们可以得到水分子偶极对静电作用的响应。

根据该研究团队提出的氢键的电偶极子-静电场模型，二水硫酸钙中水分子对外电场的响应可以给出O-H偶极矩对O-H偶极子长度的二阶导数（图3a，详见文章正文）。随后，该团队又总结了过去已发表的工作里，不同氢键系统中水分子的O-H键长与伸缩振动的拉曼振动频率，并根据提出的电偶极子-静电场模型，将后者转化为电偶极子处的电场强度，得出了二者之间的关系（图3b），并依据模型拟合出了O-H偶极矩对O-H偶极子长度的一阶导数。最后，由拟合给出的一阶与二阶导数得到O-H偶极矩对偶极子长度的泰勒展开，从而获得了O-H偶极对电场扰动的响应模型。

上述模型成功实现了对不同晶体水系统中，水分子电偶极矩与极化率的重现（图3c-d）。此外，对于不同受限水分子系统（如C60中的受限水分子与水-石墨烯受限表面），该模型对水分子振动，水分子偶极矩，局域电场和氢键能量等性质都给出了良好的预测（详见文章正文）。

图1：该团队提出的氢键的电偶极子-静电场模型与层状矿物二水硫酸钙中的二维受限水分子©

图2：二水硫酸钙中的水分子伸缩振动受到外加电场的调控。©

图3：实验数据对氢键的电偶极子-静电场模型的拟合与该模型对不同受限晶体水系统的性质预测©

五、【成果启示】

该研究成果在多个关键应用领域具有广泛前景：

水净化技术：通过量化水分子在膜表面的结合方式，工程师可以设计具备优化孔结构和表面化学性质的海水淡化膜，通过控制氢键作用，提高水的通量和离子选择性，降低水处理所需能耗。

药物开发：该模型使得药物研究人员能够预测水分子如何与药物化合物及其靶向蛋白结合。通过理解氢键网络，科学家可设计具备理想溶解性、更佳膜穿透能力以及更高靶向结合精度的药物，从而加快药物研发进程，推进个性化医疗。

气候科学：当前气候模型在模拟云的形成与大气水汽行为时存在显著误差，而这些过程高度依赖氢键。该工作为更准确地模拟不同温度下水的相变提供了依据，在改善气候预测方面有巨大应用潜力，并有助于提升我们对水在天气系统中作用的理解。

能源储存：该研究提出了“氢键异质结”的概念，为能源材料的设计开辟了全新路径。通过在层状材料中工程化构建特定氢键结构，科学家可开发出具备优异离子传输性能和结构稳定性的电极与电解质材料，有望实现下一代电池能量密度的倍增，并提升其安全性与生命周期。

生物医疗器械：新的定量框架可精确调控水与表面之间的相互作用，这对器械的生物相容性至关重要。通过在植入设备表面设计氢键作用网络，研究人员有望开发出抗生物污染能力强、体液传输性能优异、信号检测能力增强的传感器，从而延长设备寿命并实现低创伤的持续健康监测。

这项研究的意义远不止于基础科学。该团队的方法有助于解释生物界面上的诸多现象，加深我们对细胞等微观受限空间中水分子行为的理解，并推动“氢键异质结”这一全新智能材料体系的发展，在催化、分离、储能等领域展现广阔应用前景。

“水的氢键本质支撑着无数技术，从清洁燃料催化剂到我们体内的蛋白质，”论文第一作者王子微博士表示。“本研究代表着在理解与调控自然界最关键化学相互作用之一方面的一项基础性突破，其潜在应用之广泛令人振奋。”

本研究得到了欧洲研究委员会与英国研究理事会的资助支持。

如需了解更多信息，请联系：

王子微博士（ziwei.wang@manchester.ac.uk）

Mishchenko 教授（artem.mishchenko@manchester.ac.uk）

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58608-6

本文由Ziwei Wang, Qian Yang, Artem Mishchenko供稿

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