研究背景
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。
研究内容----实验部分
研究团队选择天然层状矿物蛭石作为模型体系。蛭石层间具有丰富的离子交换位点，可以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，从而实现对离子水合能力的系统调控。不同阳离子具有相同电荷，但水合能和水合尺寸显著不同，为分离“通道几何效应”与“离子—水相互作用”提供了理想平台。
实验发现，水的输运速率并不随层间距增大而提高。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。这一反直觉现象表明，决定限域水输运的关键因素并非简单的通道宽度，而是层间离子与水分子之间的相互作用。
红外光谱进一步显示，从Li⁺交换膜到K⁺交换膜，水的O—H伸缩振动逐渐向高波数方向移动，说明氢键整体趋于减弱。弱水合的K⁺更容易破坏限域水氢键网络的连续性，而强水合的Li⁺则有利于稳定较为完整、连接更紧密的水合与氢键结构。该结果为离子特异性的限域水输运提供了直接光谱证据。
研究内容----计算部分
为了回答“氢键网络被扰动后，水分子究竟如何实现快速移动”这一实验难以直接观测的问题，厦门大学汤富杰团队开展了系统的机器学习加速分子动力学模拟。
理论团队依据实验测得的层间距、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。最终的界面训练数据包含3958个代表性构型，随后开展纳秒尺度的分子动力学采样，使研究者能够同时追踪离子位置、水合层交换、氢键几何结构和水分子的长时间扩散行为。
与通常将限域水视为均一整体的处理不同，汤富杰团队进一步按照水分子与离子的瞬时关系，将其划分为第一水合层水、第二水合层水、在不同水合环境之间频繁交换的“过渡水”，以及远离离子水合区域的水，并分别计算不同水分子群体的扩散行为。
模拟结果表明，K⁺交换蛭石中水的面内扩散系数约为0.60×10⁻⁹ m² s⁻¹，约为Li⁺交换体系中0.28×10⁻⁹ m² s⁻¹的两倍，与实验观察到的输运差异高度一致。更重要的是，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，也不是少量近似“自由”的弱氢键水，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。
定量分析显示，K⁺交换体系中过渡水的比例达到约51.6%，而Li⁺交换体系中仅约20.9%。在二维限域条件下，远离离子和界面的水分子数量被大幅压缩，例如K⁺交换通道中不属于主要水合层类别的水仅占约4.6%。因此，与体相电解质中主要由大量非水合水承担扩散不同，二维通道中的整体水输运对水合层交换过程异常敏感。
关键成果："离子水合—氢键动力学—动态交换—快速输运“的机制链条
进一步的氢键统计揭示了这一动态交换过程的分子起源。
在Li⁺周围，较强的离子—水相互作用将水分子稳定在水合层和带电蛭石表面附近，并维持较均匀、连接较好的氢键网络。这些水分子受到离子水合与界面的双重束缚，横向扩散受到明显抑制。
相比之下，弱水合的K⁺不能形成同样稳定的局域水合结构。其第一水合层水与外层水之间表现出更长的氧—氧距离和偏离线性的O—H···O角度，对应更弱的氢键和更短的氢键寿命。氢键连接的持续断裂与重组，使水分子能够更加频繁地在第一、第二水合层及界面区域之间交换，从而形成高比例、高迁移率的动态过渡水，最终加快二维方向上的水扩散。
由此，理论计算建立了完整的微观机制链条：
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。
这一机制表明，离子在二维限域环境中并非仅通过静电阻力或提高局域黏度阻碍水流动。特定离子还可以通过削弱集体氢键网络、降低水分子重排的能垒，打开一条由动态水合层交换驱动的快速输运通道。该作用在体相溶液中容易被大量非水合水的运动所掩盖，却在纳米限域环境中被显著放大，因此构成了限域体系特有的离子调控机制。
工作展望：为纳米通道和分离膜设计提供新的调控维度
该工作将实验测量的输运速率和振动光谱，与机器学习分子动力学揭示的水合层交换、氢键寿命及空间分辨水动力学直接联系起来，从分子尺度解释了离子特异性的Hofmeister型效应如何在二维限域条件下被放大。
研究结果说明，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的表面离子环境，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。
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。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及厦门大学科研启动经费等项目支持，计算工作依托嘉庚创新实验室智算中心完成。
