扭转双层范德华材料凭借其独特的摩尔超晶格效应，展现出奇特的物理特性，已成为量子器件设计的核心。传统研究集中于范德华材料体系，而这类体系需要人工精确堆叠才能实现电子态调控。水是地球上最丰富的物质之一，可以形成丰富的物质形态，属于非范德华材料，然而人类对其结构的认识还很有限，因此被科学杂志列为125个关键科学问题之一。在这种氢键主导的结构中能否形成稳定扭转结构，一直是未被探索的空白。
江苏大学唐淳教授、王丽雅副教授团队与香港城市大学讲座教授曾晓成团队合作，在《Nature Communications》发表最新研究成果（https://doi.org/10.1038/s41467-025-63833-0），首次发现在纳米受限环境中可自发形成具有摩尔超晶格的扭转双层冰（Twisted Bilayer Ice, TBI），为氢键摩尔材料的研究打开了新窗户。该成果不仅拓展了二维冰相图，更为设计非范德华扭转材料提供了新的理论框架。
与需要人工扭转的范德华材料不同，扭转双层冰的形成依赖于氢键网络的结构自适应能力。研究团队通过经典和基于机器学习势的分子动力学模拟，发现当侧向压力超过3.0GPa时，水分子会在8.0Å宽的石墨烯纳米通道中自发结晶为两种稳定扭转构型：21.8°和27.8°扭转角。这两种构型呈现出独特的”花朵状”超晶格结构（图1）。
图1. 石墨烯纳米通道内观察到的扭转角分别为21.8°和27.8°两种扭转冰结构，及其自发形成过程。
基于机器学习势分子动力学模拟计算得到的吉布斯自由能证实了21.8°和27.8°扭转冰结构的稳定性（图2）。
图2.不同扭转角下扭转冰的吉布斯自由能。
力学机制揭秘：氢键网络决定热力学稳定性
图3. 21.8°和27.8°扭转冰中层间氢键分析。
通过分析氢键相互作用（图3），团队发现：扭转冰的层间氢键呈现独特的成键规则：扭转冰的结构从构型上看可归类为“花朵”和“桥”两种。花朵内的水分子只在花朵内部形成层间氢键，所以21.8°构型中每个花朵含7个层间氢键，呈现均匀倾斜特征；相比之下，27.8°构型中花朵内形成氢键数目略低，由于倾斜程度更高，花朵内一对一的层间成键规则被打破，存在同一个水分子与另外一层水分子重复成键的现象，落单水分子并不会参与层间成键。此外，27.8°构型中花朵通过AB堆垛的“桥”进行连接，桥内水分子满足一对一成键法则，形成24个层间氢键。对局部花和桥内氢键的强度分析发现，满足27.8° 桥>21.8° 花>27.8° 花的关系。而对于整体TBI而言，21.8°和27.8°两种扭转冰构型的层间氢键强度相当。双层扭转冰的稳定存在依赖于大量水分子的周密配合，因此，扭转冰一旦形成非常稳定。
图4. 室温下双层冰的半定量相图
研究构建的相图（图4）显示，扭转双层冰仅在特定压力和受限宽度范围内稳定存在。这种敏感的环境依赖性使其可能成为新型纳米流体开关材料，其摩尔势场也有望用于调控低维电子体系的量子态。团队提出的自发形成机制，为开发非范德华扭转材料提供了普适性设计原则。
团队与资助
论文第一作者为江苏大学王丽雅副教授，通讯作者为香港城市大学江健博士、江苏大学唐淳教授和香港城市大学讲座教授曾晓成。研究得到国家自然科学基金、江苏省博士后基金、香港全球STEM教授计划和香港研究资助局资助。
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