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Nontrivial effects of geometric and charge defects on one-dimensional confined water

化学物理 氢键 偶极子 分子动力学 材料科学 分子 扩散 电荷密度 纳米技术 纳米流体学 电荷(物理) 化学 计算化学 物理 热力学 量子力学 有机化学
作者
Minmin Xue,Chun Shen,Zhuhua Zhang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (1)
标识
DOI:10.1063/5.0216298
摘要

Water confined within nanochannels with specific functionalities serves as the foundation for a variety of emerging nanofluidic applications. However, the structure and dynamics of the confined liquid are susceptibly influenced by practically hard-to-avoid defects, yet knowledge of this fact remains largely unexplored. Here, using extensive molecular dynamics simulations, we elucidate the significant influence of geometric and charge defects on one-dimensional confined water. We show that the two types of defects can both reshape the water density distribution by constraining the translocation of water molecules along the circumferential direction. In addition to structural alterations, collective translocation and rotation of water slabs arise during transportation under external pressure. Below the temperature threshold marking the initiation of liquid-solid transition, the geometric defect retards water diffusion through a pinning effect, while the charge defect induces an anti-freezing effect. The latter is attributed to the electrostatic interaction between the charge defect and water molecules that hinders the formation of a stable hydrogen bond network by disrupting molecular dipole orientation. Consequently, this behavior results in a reduction in the number and lifetime of hydrogen bonds within the phase transition interval. The distinct roles of the two types of defects could be utilized to control the structure and dynamics of confined liquids that may result in distinct functionalities for nanofluidic applications.

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