近日，我院胡晟教授与汤富杰教授团队在二维限域水输运研究方面取得新进展。研究团队将离子可调控的蛭石二维纳米通道、红外光谱、水渗透实验与机器学习加速分子动力学模拟相结合，揭示了不同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。相关成果以“Ion-disrupted hydrogen-bond networks enable fast water transport under two-dimensional confinement”为题，在线发表于Nature Communications。胡晟教授和汤富杰教授为共同通讯作者。
水在纳米通道中的输运广泛存在于生物水通道、黏土矿物、地质孔隙、海水淡化膜和能源材料界面等体系中。长期以来，纳米限域水的异常快速输运主要从通道尺寸、界面滑移和水分子有序排列等角度进行解释。然而，真实的限域水体系几乎不可避免地含有离子，而离子与水之间的相互作用如何改变氢键网络并进一步影响水输运，仍缺乏统一的分子图景。
该研究选择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，将层间离子替换为 Li+、Na+、K+、Cs+ 和 NH4+ 等不同阳离子，实现对离子水合能力的系统调控。实验结果表明，水的输运速率并不随层间距增大而提高，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。红外光谱进一步显示，弱水合 K+ 更容易破坏限域水氢键网络的连续性，而强水合 Li+ 则有利于稳定更完整、更紧密的水合与氢键结构。
图1 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。
为进一步揭示实验难以直接观测的微观机制，汤富杰团队基于实验测得的层间距、离子交换量和含水量构建蛭石纳米通道模型，采用第一性原理计算生成训练数据，并结合主动学习建立具有量子力学精度的深度势能模型。模拟结果表明，真正主导二维面内扩散的并不是被牢固束缚在第一水合层中的水，而是在不同水合层和局域环境之间不断重组的动态过渡水。K+ 交换体系中过渡水比例达到约 51.6%，显著高于 Li+ 交换体系中的约 20.9%。
该工作建立了“阳离子水合能力——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”的完整机制链条，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。该认识为高通量分离膜、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了新的分子设计原则。
在本项合作研究中，胡晟团队构建了离子可调的蛭石二维纳米通道，并完成了水输运和红外光谱等实验研究；汤富杰团队负责机器学习分子动力学模拟及微观机制解析，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。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及厦门大学科研启动经费等项目的支持，计算工作依托嘉庚创新实验室智算中心完成。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75604-6
