在细胞层面上，生命都需要水来维持生存。

预测液态水如何在分子尺度的管道中挤压，需要一定程度的模拟，即使是目前最强大的计算机也很难做到。

因此，美国的研究人员转向机器学习，以弄清楚当水被困在由纯碳制成的纳米尺寸的圆柱体中时，水的电性能是如何变化的。

不要让水表面上的简单欺骗了你。在每个分子内部，都有一个氧原子欺负它的氢伙伴，占用了超过它应得的电子时间，造成了电荷的不平衡，我们称之为偶极子。

这种不平衡使水混合了不同寻常的性质，使它松散地粘在一起，以解释表面张力的方式，或者在冻结成冰时以各种各样的形式展开。

水分子被包裹在疏水的碳纳米管中，普通病毒可能认为这是一个咖啡杯的完美大小，由于它们的限制，水分子促进了与电场的相互作用。

确切地知道这种情况是如何发生的，以及为什么会发生，还没有得到充分的描述。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的材料科学家、该研究的第一作者马科斯·卡勒加里·安德拉德说：“有必要了解密闭液体屏蔽电场的能力，以及这种能力与散装环境的差异。”

“提高对承压水介电响应的理解不仅对推进分离技术很重要，而且对其他新兴应用也很重要，比如能量存储和转换。”

介电效应描述了水等物质对电场的反应。当像铜线这样的导电材料以电流的形式传输电荷时，介电材料的带电成分会旋转并对齐，从而反馈到更广泛的电场中。

过去，将水分子装入直径小于10纳米的碳纳米管中已经揭示了水的新相态，并被证明可以促进质子沿着水分子的一维链更快地转移。

扩大孔隙大小也暗示了冰结构的形成，这在更大的水体中是看不到的。

然而，用一个理论框架来解释这些实验结果说起来容易做起来难。通过从基本原理出发建立模拟，有可能建立一个相对完整的分子行为图景，但只能在几分之一秒的时间尺度上对几百个原子进行模拟。

为了确定穿过腔室的其他方向的介电常数，研究人员通过机器学习过程运行了基本原理。这使得我们能够获得更完整的图像，包括量子效应来计算势能并描述单个分子的摆动。

他们的方法揭示了一个在传统模拟中不太明显的电子结构，一个平行于管道壁沿着水柱轴线向下运行的电子结构。

在他们的模拟中，碳纳米管轴上的介电常数随着管的直径变小而增加。峰值为0.79纳米，此时水分子被迫排成一排。

在这些小尺度上绘制水的介电效应的增强图，可以为分子生物学家提供关于水和其他物质在微小细胞通道中的流动的重要线索，或者帮助研究人员定制可能在小空间的溶液中更有效地起作用的药物。

LLNL的计算材料科学家Anh Pham说：“对水介电常数约束效应的基础研究，有助于理解和改进当前的技术。”

这项研究发表在《物理化学快报》上。

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