水在吉帕（GPa）级压力下的行为对理解地球内部地质过程、富水行星的演化与水热化学反应机制至关重要。然而，有关吉帕压力下溶液中水的结构和动力学的直接实验观察很少，溶解离子与施加压力对水结构和动力学的影响究竟是叠加还是拮抗，学术界存在争议。针对这一关键科学问题，中国科学院青海盐湖研究所溶液结构与界面课题组联合日本福冈大学、日本原子能机构J-PARC中心，利用高通量中子散射技术，在原子尺度上揭示了吉帕压力下碱金属氯化物水溶液中水的结构演变与扩散行为，为理解高压水溶液的物化性质提供了全新视角。

该工作基于日本J-PARC MLF脉冲中子源BL11线站（PLANET）的高压中子衍射（ND）和BL02线站的准弹性中子散射（QENS）技术，系统研究了纯水及3 mol/kg LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl水溶液在0.1 MPa和0.7 GPa压力下的结构与动力学。通过实验数据驱动的全原子建模（EPSR）方法，团队定量提取了水分子间Ow-Ow、Ow-Dw及Dw-Dw的偏对分布函数，并结合QENS数据获得了水分子在常压和高压下的自扩散系数。

图1 中子散射实验观测吉帕压力下碱金属氯化物水溶液中水的结构和动力学

研究取得以下发现：

1.溶解离子不等同于对水施加压力。在0.7 GPa下，水的四面体氢键网络结构坍塌，转变为类似液态氩的密堆积无序结构。Ow-Ow第一配位层的配位数从常压下的4.2急剧增加至14.6，Ow-Ow-Ow角分布中代表四面体结构的98°峰显著减弱，而代表间隙水分子的52°峰增强并移至43°。这一转变源于第二配位层的瓦解和间隙水分子的形成。相比之下，常压下溶解离子虽能扰乱水的第二层，但水的四面体网络结构仍得以保持。

2. 水的异常扩散行为在高压下消失。常压下，水分子扩散系数随离子种类呈Li+ < Na+ < H2O ≈ K+ < Rb+ ≈ Cs+的规律，Li+和Na+表现为结构促进者(Structure maker)（正水合，活化能为正），Rb+和Cs+表现为结构破坏者(Structure breaker)（负水合，活化能为负）。0.7 GPa下，所有离子的扩散系数均低于纯水，活化能全部变为正值，传统意义上的正/负水化及结构促进/破坏概念不再适用。这一反常现象的消失与水四面体网络结构的坍塌密切相关—高压下大量非氢键结合的间隙水分子进入离子周围，形成更致密、更具结构性的溶剂化层。

该研究成果近日以“Observation of the structure and dynamics of water in aqueous alkaline chloride solutions under gigapascal pressure by neutron scattering”为题发表在The Journal of Physical Chemistry Letters上，全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6c01411。青海盐湖所景转芳博士为第一作者，周永全研究员和山口敏男教授为共同通讯作者。该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB1130102）和青海省自然科学基金的支持。

离子水化是溶液化学领域的核心基础问题，对卤水资源的分离提取、工业化学反应过程以及离子迁移行为具有重要影响。近年来，青海盐湖研究所溶液结构与界面课题组围绕这一主题开展了系统研究。相关成果涉及，基于静态水分子取向和动态水分子迁移的离子水化行为定量描述（The Journal of Physical Chemistry Letters2023, 14 (27), 6270–6277）、限域条件下的离子水化（Journal of Molecular Liquids2024, 415, 126316; Journal of Molecular Liquids 2023, 388, 122746; Frontiers in Chemistry2023, 11, 1103792），以及高温、高压及多外场耦合作用下离子特征水化的演变规律（The Journal of Chemical Physics2025, 163 (19), 194505.;The Journal of Physical Chemistry Letters 2026,6c01411.）。

审核：葛飞