一、【导读】

水在纳米通道中的快速输运是生物水通道、海水淡化膜、能源材料界面和地质孔隙等体系中的关键过程。厦门大学化学化工学院胡晟教授与汤富杰教授团队将离子可调控的蛭石二维纳米通道、红外光谱、水渗透实验和机器学习加速分子动力学模拟相结合，揭示了不同阳离子通过重塑限域水氢键网络，调控水分子在水合层之间动态交换并最终决定水输运速率的微观机制。相关成果发表于 Nature Communications。

二、【成果掠影】

传统观点通常将纳米限域水的快速输运归因于通道尺寸、界面滑移或有序水结构。然而，在真实限域体系中，离子几乎不可避免地存在，其水合能力和对氢键网络的扰动可能深刻影响水的运动方式。研究团队选择具有离子交换位点的天然层状矿物蛭石作为模型体系，在基本保持二维通道结构的同时，将层间阳离子替换为 Li+、Na+、K+、Cs+ 和 NH4+，从而分离通道几何效应和离子-水相互作用。

实验结果显示，通道更宽并不意味着水输运更快。尽管 Li+ 交换蛭石具有更大的层间距，其水渗透速率却明显低于 K+ 交换蛭石；K+ 交换膜的水渗透速率约为 Li+ 交换膜的两倍，最高可达到约 2000 L m-2 h-1 bar-1。红外光谱进一步表明，由 Li+ 到 K+，限域水 O-H 伸缩振动逐渐向高波数移动，说明氢键网络整体趋于减弱。

为了从分子尺度解释这一反直觉现象，汤富杰团队基于实验测得的层间距、离子数量和含水量构建蛭石二维纳米通道模型，结合第一性原理训练数据、主动学习和深度势能模型开展纳秒尺度分子动力学模拟。结果显示，真正主导快速面内扩散的不是被牢固束缚的第一水合层水，也不是少量近似自由水，而是在不同水合环境之间频繁交换的动态过渡水。

三、【核心创新点】

• 建立了“离子水合能力-局域氢键结构与寿命-水合层交换频率和过渡水比例-面内扩散-宏观水渗透速率”的完整微观机制链条。
• 发现限域水输运并不简单受通道宽度控制，而是受到阳离子水合能力和氢键网络动力学的关键调控。
• 通过机器学习分子动力学将实验观测到的离子依赖性输运规律归因于氢键寿命变化和动态水合层交换。
• 提出动态过渡水是二维限域条件下快速水输运的主要微观来源，为纳米通道和分离膜设计提供新的调控维度。

四、【数据概览】

图1 离子可调控的蛭石二维纳米通道。蛭石纳米片组装形成层状二维通道，层间阳离子可被 Li+、Na+、K+、Cs+ 和 NH4+ 等不同离子取代，从而系统调控离子-水相互作用。

图2 阳离子水合能力而非通道宽度主导限域水输运。K+ 交换膜水渗透速率约为 Li+ 交换膜的两倍，最高可达约 2000 L m-2 h-1 bar-1。

图3 红外光谱揭示限域水氢键网络的离子依赖性变化。由 Li+ 向 K+ 变化时，O-H 伸缩带整体向高波数移动，说明水分子平均氢键作用逐渐减弱。

图4 机器学习分子动力学揭示离子调控限域水输运的微观机制。K+ 体系中更弱、更短寿命的氢键显著提高动态过渡水比例及面内迁移率。

图5 离子扰动氢键网络驱动二维限域水快速输运的机制示意图。弱水合 K+ 促进水分子在不同水合层和界面环境之间频繁交换，形成高迁移率动态过渡水。

五、【成果启示】

该工作说明，优化纳米通道中的水输运不能仅依赖扩大孔径或提高表面亲水性，还应关注通道内离子的种类、水合能力及其对氢键网络动力学的调控。通过选择合适的交换离子或设计特定表面离子环境，有望主动调节水合层稳定性和动态水交换，为高通量分离膜、纳米流体器件、离子选择性通道以及能源与地质界面中的水输运调控提供新的分子设计原则。

原文详情

论文标题：Ion-disrupted hydrogen-bond networks enable fast water transport under two-dimensional confinement. Nature Communications.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75604-6