水，儘管是地球上最熟悉的物質之一，依然隱藏著科學家們努力揭示的秘密。當水被限制在極小的空間內，例如蛋白質、礦物或人工納米材料中時，其行為與其大宗液體形態截然不同。這種限制效應在自然界和技術中都至關重要，它們調節著離子通過細胞膜的流動，並決定納米流體系統的性能。對於這種尺度下水的行為理解，可以為生物和材料創新開啟新的大門。
在受限水的研究中，一個特別引人注目的相稱為「預熔狀態」。在這種異常的狀態中，水似乎同時在凍結和融化之間懸浮，並不容易歸類為液體或固體。然而，對其進行研究一直以來都非常困難，因為傳統技術往往無法捕捉到水分子內氫原子的快速運動。來自東京理科大學的研究團隊，在田所誠教授、講師小林史也及博士生南木智也的領導下，最近取得了重要突破。他們的研究報告利用先進的核磁共振 (NMR) 光譜技術，直接觀察到預熔狀態。
為了進行實驗，研究團隊製造了具有約 1.6 奈米寬通道的六角棒狀晶體，並用重水 (D₂O) 充填這些納米孔。通過在室溫下測量 NMR 光譜，他們識別出受限水分子的三層結構，每一層顯示出不同的運動和氫鍵相互作用。數據顯示，納米孔內的水凍結成與大宗冰不同的結構，並且它開始通過扭曲的氫鍵排列進入融化狀態，形成預熔狀態。為了研究這一新相，團隊逐漸加熱晶體，從凍結狀態轉變為液體條件，這使他們能夠追蹤過渡並確認兩種看似矛盾的狀態的存在。
研究人員還測量了在此相中重水分子的旋轉流動性。他們發現，儘管激活能與大宗冰有所不同，但相關時間接近大宗液態水的水平。簡單來說，這些分子被鎖定在類固體的位置，但仍然以類液體的速度旋轉。這些發現為受限水的結構和動態行為提供了關鍵的見解。除了生物學領域，這些結果也可能影響未來的技術發展。田所教授表示：「通過創造新的冰網絡結構，可能有助於儲存氫氣和甲烷等能量氣體，並開發水基材料，如人工氣體水合物。」對於水的凍結和融化特性的這種控制，可能會導致更安全和高效的材料，潛在改變能源儲存和納米技術。
這項研究最終突顯了即便是世界上最常見的物質，也不斷讓科學家們感到驚訝。儘管水是如此熟悉，但它仍然隱藏著待揭示的相和行為。本研究的發現已發表在《美國化學學會雜誌》中。
