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研究背景

水是地球上最为特殊的液体之一，其独特的物理化学性质主要来源于水分子之间复杂的氢键网络。这种氢键网络在不同的热力学条件下展现出异常的结构和性能，尤其在纳米尺度的约束下，水的行为表现出显著的差异。

然而，尽管水的纳米约束效应被广泛研究，当前尚缺乏水分子在纳米尺度下如何与材料表面发生相互作用的因果关系，这限制了纳米结构材料在水模板化等应用中的进一步设计与优化。因此，如何理解和调控纳米约束环境中的水分子结构，成为了水资源捕集、储存及净化等技术应用中的关键挑战。为此，科学家们在金属有机框架（MOFs）材料中开展了系统研究，MOFs因其高度可调的孔隙结构和化学亲和力，成为研究水分子纳米约束行为的理想平台。

成果简介

有鉴于此，根特大学Veronique Van Speybroeck教授团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Halogencarbene-free Ciamician-Dennstedt single-atom skeletal editing”的最新论文研究表明，MOFs中的小孔隙有助于水分子形成有序的水簇，且水分子在亲水性吸附位点附近的聚集效应明显。进一步的研究发现，通过合理设计吸附位点的空间分布，可以促进更大水簇的形成，从而优化水的吸附和网络化过程。

通过建立数学模型，研究人员能够精确控制吸附位点的分布，揭示了纳米约束和亲水性吸附位点在水结构形成中的重要性，为调控水分子结构和行为提供了新的设计思路和理论依据。该研究不仅为纳米约束水的应用开辟了新的方向，也为MOFs材料的设计和优化提供了重要的理论支持。

2024年5月23日，根特大学的 Veronique Van Speybroeck教授获得了2024年法朗基精密科学奖，以表彰她在催化的计算机建模方面做出的开创性的贡献。

此外，Veronique Van Speybroeck自2012年起担任比利时根特大学全职教授，同时为比利时皇家学会院士。

今年，Veronique Van Speybroeck教授荣获 “比利时诺贝尔奖”，此奖励是享有盛誉的奖项——法朗基奖因其悠久的历史和国际性。

研究亮点

1. 实验首次探讨了锆金属有机框架（MOFs）中水分子的约束行为，得到了不同孔结构对水分子氢键网络的显著影响。通过系统地研究不同拓扑、孔径和化学成分的MOFs，作者揭示了水分子在纳米孔内的组织结构和水分子聚集的规律。

2. 实验通过对比不同MOFs中的水吸附行为，发现小孔径有利于水分子在亲水性吸附位点的有序聚集。进一步优化二级吸附位点的位置，有助于在适度吸附条件下形成较大的水聚集体。

3. 实验通过建立解析模型，明确了纳米约束和亲水性吸附位点在水分子聚集中的重要作用。该模型揭示了主、次吸附位点之间的相互作用，能够有效控制水分子聚集与氢键网络的形成，为水模板设计提供了理论依据。

4. 实验结果表明，水在MOFs孔隙中的行为显著偏离了体积水的特性，并通过模拟水的吸附等温线，进一步证明了水在具有不同亲水性区域的MOFs中的吸附特性。

图文解读

图1：本研究中所调查的锆金属有机框架（MOFs）结构概述。

图2：在不同MOFs中，水分子每个氢键的数量的概率分布。

图3：不同MOFs中水分子氧原子之间的径向分布函数（RDFs）。

图4：不同约束环境下水密度的空间分布。

图5：水分子在一个具有6 Å边长和四面体排列吸附位点的排斥性立方体盒子中被约束时的水吸附等温线。

结论展望

本文的研究揭示了锆基金属有机框架（MOFs）对水分子在纳米孔隙中行为的模板作用，提供了对水分子组织和纳米约束环境中水的吸附特性深入的理解。研究表明，水的行为受到孔隙大小和结构的显著影响，较大的孔隙能够恢复水的体相行为，而较小孔隙中的水则受到孔壁的塑造，表现出不同的性质。这一发现提示了在设计纳米孔材料时，孔隙大小和亲水性吸附位点的重要性，尤其是在水簇的形成和吸附行为中的关键作用。此外，水的吸附能力不仅取决于孔隙的几何形态，还与水分子间的氢键网络和二次吸附位点的形成密切相关。

因此，通过调节材料的微观结构，尤其是亲水性位点的分布，可以有效提升材料的水吸附容量，并保持适中的脱附能量，为大气水收集等实际应用提供了新的思路。总体而言，本文为纳米孔材料的设计提供了理论依据，推动了水吸附和分离技术的进一步发展。

文献信息

Lamaire, A., Wieme, J., Vandenhaute, S. et al. Water motifs in zirconium metal-organic frameworks induced by nanoconfinement and hydrophilic adsorption sites. Nat Commun 15, 9997 (2024).