水在納米限域或界面環境下表現出與體相完全不同的熱力學與動力學性質。但是，人們對限域過冷水的動力學非均一性知之甚少。當水被限制在納米尺度時，動力學—結構間的關聯是否被改變尚不清楚。厘清這一問題對理解限域環境下冰核形成機制至關重要。
近日，中國科學院福建物質結構研究所研究團隊探討了限域水動力學—結構耦合的內在機理，為受限環境中冰晶成核理論和生物抗凍機理提供了新見解。團隊在分子層面展示了通過蛋白質等限域環境可實現水分子氫鍵網絡動力學與結構的去耦合，從而改變過冷液體的成核路徑。這拓展了傳統玻璃態/冰核形成理論在納米尺度下的圖像。
團隊進一步比較促成核蛋白與抗凍蛋白對界面水的作用差異發現，盡管二者均有規則冰親和界面，但只有促成核蛋白削弱水的動力學—結構相關性，而抗凍蛋白未如此。這提示，冰核蛋白可能通過降低成核所需的動力學重排障礙來實現高效成冰；抗凍蛋白可能利用界面水的有序—緩慢耦合來穩定自身表面的冰樣水層，從而阻止自由冰核的形成。這些推論有待進一步實驗證實，但為理解生物冰凍調控提供了方向。
從應用角度看，若能通過調節界面屬性來控制水的動力學非均一性與結構預有序程度，有望在材料防冰、食品冷凍和細胞低溫保存等方面取得進展。
相關研究成果發表在JACS Au上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。
論文鏈接
體積水和蛋白限域水的動力學非均一性對比
本文鏈接：限域水動力學—結構耦合的機理研究獲進展http://www.sq15.cn/show-12-2164-0.html
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