【中国观察北京时间2025年09月25日讯】水对于许多人来说是耳熟能详的存在，但许多研究表明水实际暗藏许多未知秘密。近期，日本科学家将水挤进奈米级的通道后，成功观察到水的隐藏特殊状态，它既保持类似固体的有序性又能像液体一样流动，打破传统对水的三态认知。
尽管水是地球上最熟悉的物质之一，但它蕴藏着许多未解之谜。科学家发现当水被限制在某些蛋白质、矿物质或人造奈米材料等极度狭小的空间内时，其行为方式与本体液体形式就出现截然不同的型态。
为了捕捉这个型态，科学家想了很多办法。不过，要详细研究水的预熔态动力学十分困难，即便依靠传统的X射线分析等绕射技术也无法做到。因为该技术虽然能够精确定位多数原子，却难以捕捉到氢原子在皮秒（一万亿分之一秒）级别的旋转运动，也无法窥见单一水分子的运动状态。
为了解决这项问题，日本东京理科大学（Tokyo University of Science）化学系团队，透过静态固态氘核磁共振（NMR）波谱技术，成功观察到水分子有一种有趣但鲜为人知的状态“预熔态”，并对封闭水的奥秘有了全新认识，且观察结果有望开发出新的人工天然气水合物等水基材料。
“预熔态”是指水在受限时展现的独特阶段，其行为仿佛同时处于冻结和熔化的边缘，因此无法简单地将其分为液态或固态。该项研究成果于8月27日发表在《美国化学会》杂志上。
研究团队制作了亲水性分子奈米六角形棒状晶体，内部含有直径约1.6奈米（nm）孔洞，并在孔洞中填充重水（含氘的水）进行观测。氘为氢的稳定同位素，原子核含有一个质子和一个中子。
分析结果显示，在室温下受限于奈米孔洞中的水分子形成了独特的三层结构，各层的运动方式与氢键相互作用皆不相同，这为多层组织提供了清晰的证据。此外，这种受限的重水结构，与普通固态冰不同，其扭曲的氢键结构出现融化状态，使水展现出奇特的“预熔态”。
研究人员为了深入了解“预熔态”，将晶体从低温逐渐加热，使水从冻结状态转变为液态。他们透过核磁共振观察到水的结构出现明显变化，证实了水向“预熔态”的相变，并测量出这两种看似矛盾的状态。
研究人员发现，虽然重水在温度183°K至243°K范围内时，其预熔态活化能为48kJ/mol与固态冰的活化能56kJ/mol相当接近。这意味着水分子的位置虽然是相对固定，且维持着固态的有序性，但其内部的旋转运动却像液体水一样迅速。
他们表示，这些发现有助于更全面的理解水在极端限制条件下的行为，同时阐明了水的结构与动力学之间的问题。这对于理解水和离子，是如何渗透或穿越拥有极窄通道的生物蛋白质、细胞膜来说至关重要，因为了解这些有望对生物科技、药物等领域带来实际的创新。
日本东京理科大学化学系教授真田所（Makoto Tadokoro）对该校新闻室解释道，“预熔态是指在加热过程中，完全冻结的冰结构开始融化之前，部分氢键不完整的水分子率先熔化的状态。这实质构成了一种新的水相，其中冻结的水分子层和缓慢移动的水分子共存。”
他补充道，“藉由创造新的冰网络结构，未来或许可以在储存氢气和甲烷等高能量气体上，开发出人工天然气水合物等新型态的水基材料。”
这项工作得到了日本文部科学省的JSPS KAKENHI科学研究补助金JP23K26672和JSPS KAKENHI早期职业科学家补助金JP23K13767的支持。