图1.矿物晶体间隙的润湿/不润湿转变图解
实验研究早已表明，常温常压条件下层间不含水的层状硅酸盐矿物滑石和高岭石，在一定的高温高压条件（如650°C和6.7GPa 条件下的滑石、200°C和2.7GPa条件下的高岭石）及与水共存的情况下，会形成稳定的层间含水的矿物相（Chinnery et al., Science, 1999; Hwang et al., Nat. Geosci., 2017）。由于层状硅酸盐矿物的层间类似于矿物颗粒的晶体间隙，这种稳定的层间水的发现是否意味着晶隙水在一定的高温高压条件下普遍存在？为此，陈锰、周慧君等设计了计算模拟研究的方案，首先是对照实验认识，在热力学理论层面厘清滑石和高岭石在一定高压条件下形成层间含水相的机理；其次是进行更具广度意义的理论研究，揭示高压条件下疏水矿物表面间是否会存在稳定的晶隙水。
图2. 高岭石（Kln）、滑石（Tlc）层间的稳定水层
对照于实验条件的分子动力学模拟研究发现，无论滑石还是高岭石，当压力足够高时，层间都会形成二维稳定的六方密堆积结构单分子水层（Chen et al., Langmuir, 2020）（图2）。热力学分析揭示了压力对稳定水层形成的作用。为了排除矿物表面原子结构对结果的影响，研究者将此计算方法应用于研究更具普适意义的无结构虚拟矿物晶隙（矿物表面与水的作用近似于硅酸盐）。他们揭示了疏水矿物晶隙不润湿/润湿的温度/压力边界（图3）。在一定温度条件下，只要压力足够高，疏水矿物晶隙也可以形成润湿状态，稳定存在二维的单分子水层。他们发现二维的单分子水层会随着温度与压力的变化发生类液相-类固相的结构相变，该相变为二级连续相转变。二维的类固相水呈现与物理学家过往发现的单分子层方形冰（monolayer square ice，Zangi and Mark, Phy. Rev. lett., 2003）一致的结构。此研究第一次揭示了单分子层方形冰是稳定的矿物晶隙润湿态。
图3. 疏水矿物晶隙不润湿/润湿的温度/压力边界与类液相-类固相转变的相边界
稳定存在的二维晶隙水的发现，对认识板块俯冲过程对地球深部水循环的影响将有深远意义（图4）。然而，此研究尚有需要提高的地方，如虚拟矿物晶隙显得过于理想化。但基于此研究的方法，对更贴合实际的矿物晶隙润湿态的研究已是如箭在弦。
图4. 冷俯冲带（central Hongshu）的温度-压力模型（据Syracuse et al., Phys. Earth Planet. Inter., 2010）。图中虚框所示区域为可能的二维晶隙水存在区域。
该研究得到中国科学院青年创新促进会支持，研究成果发表于《物理评论B》（Physical Review B），Langmiur（被选为封面文章）。
论文信息：
Meng Chen*, Huijun Zhou, Runliang Zhu, and Hongping He, 2020, Pressure-Temperature Diagram of Wetting and Dewetting in a Hydrophobic Grain Boundary and Liquid-like to Ice-like Transition of Monolayer Water. Physical Review B, 101, 165432
Chen Meng*, Zhou Huijun, Zhu Ruiliang, Lu Xiancai, and He Hongping, 2020, Closest-Packing Water Monolayer Stably Intercalated in Phyllosilicate Minerals under High Pressure. Langmuir 36, 618-627.
链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.165432