水對於許多人來說是耳熟能詳的存在，但許多研究表明水實際暗藏許多未知秘密。近期，日本科學家將水擠進納米級的通道後，成功觀察到水的隱藏特殊狀態，它既保持類似固體的有序性又能像液體一樣流動，打破傳統對水的三態認知。
儘管水是地球上最熟悉的物質之一，但它蘊藏著許多未解之謎。科學家發現當水被限制在某些蛋白質、礦物質或人造納米材料等極度狹小的空間內時，其行為方式與本體液體形式就出現截然不同的型態。
為了捕捉這個型態，科學家想了很多辦法。不過，要詳細研究水的預熔態動力學十分困難，即使依靠傳統的X射線分析等繞射技術也無法做到。因為該技術雖然能夠精確定位多數原子，卻難以捕捉到氫原子在皮秒（一萬億分之一秒）級別的旋轉運動，也無法窺見單一水分子的運動狀態。
為了解決這項問題，日本東京理科大學（Tokyo University of Science）化學系團隊，透過靜態固態氘磁力共振（NMR）波譜技術，成功觀察到水分子有一種有趣但鮮為人知的狀態「預熔態」，並對封閉水的奧秘有了全新認識，且觀察結果有望開發出新的人工天然氣水合物等水基材料。
「預熔態」是指水在受限時展現的獨特階段，其行為彷彿同時處於凍結和熔化的邊緣，因此無法簡單地將其分為液態或固態。該項研究成果於8月27日發表在《美國化學會》雜誌上。
研究團隊製作了親水性分子納米六角形棒狀晶體，內部含有直徑約1.6納米（nm）孔洞，並在孔洞中填充重水（含氘的水）進行觀測。氘為氫的穩定同位素，原子核含有一個質子和一個中子。
分析結果顯示，在室溫下受限於納米孔洞中的水分子形成了獨特的三層結構，各層的運動方式與氫鍵相互作用皆不相同，這為多層組織提供了清晰的證據。此外，這種受限的重水結構，與普通固態冰不同，其扭曲的氫鍵結構出現融化狀態，使水展現出奇特的「預熔態」。
研究人員為了深入了解「預熔態」，將晶體從低溫逐漸加熱，使水從凍結狀態轉變為液態。他們透過磁力共振觀察到水的結構出現明顯變化，證實了水向「預熔態」的相變，並測量出這兩種看似矛盾的狀態。
研究人員發現，雖然重水在溫度183°K至243°K範圍內時，其預熔態活化能為48kJ/mol與固態冰的活化能56kJ/mol相當接近。這意味著水分子的位置雖然是相對固定，且維持著固態的有序性，但其內部的旋轉運動卻像液體水一樣迅速。
他們表示，這些發現有助於更全面的理解水在極端限制條件下的行為，同時闡明了水的結構與動力學之間的問題。這對於理解水和離子，是如何滲透或穿越擁有極窄通道的生物蛋白質、細胞膜來說至關重要，因為了解這些有望對生物科技、藥物等領域帶來實際的創新。
日本東京理科大學化學系教授真田所（Makoto Tadokoro）對該校新聞室解釋道，「預熔態是指在加熱過程中，完全凍結的冰結構開始融化之前，部份氫鍵不完整的水分子率先熔化的狀態。這實質構成了一種新的水相，其中凍結的水分子層和緩慢移動的水分子共存。」
他補充，「藉由創造新的冰網絡結構，未來或許可以在儲存氫氣和甲烷等高能量氣體上，開發出人工天然氣水合物等新型態的水基材料。」
這項工作得到了日本文部科學省的JSPS KAKENHI科學研究補助金JP23K26672和JSPS KAKENHI早期職業科學家補助金JP23K13767的支持。#
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