限量限域双限控温法制备水分子链网络与二维水分子膜

本发明涉及水分子链网络与二维水分子膜的制备方法，尤其是限量限域双限控温法制备水分子链网络与二维水分子膜。

背景技术：

1、水分子能够一个一个连接起来形成单分子链吗？水的单分子链能否稳定存在？有没有简洁可靠的单分子层二维冰、二维水分子膜，多分子层二维冰、二维水分子膜的制备方法？水存在的新的物态吗？

2、苗中正课题组在带电溶液的理论研究、模拟计算、制备方法、仪器设计、实验验证、应用拓展过程中，基于上千个模型案例的结果分析，在本发明中提出限量限域双限控温法制备水分子链网络与二维水分子膜，找到了开启水物态新世界大门的钥匙，令人炫目的神奇的水结构层出不穷，相应的电学、光学、热学、力学、声学、化学规律将会随着新结构的出现不断涌现并得到总结。水的单分子链网络概念的引入与可控制备可视为新型分子量子材料及原子级制造的一个典型案例，为水的物态研究、带电溶液、电光效应、光电器件、海水淡化、超导、超输运、超润滑、海水淡化、甚至是光刻机等领域的基础研究与应用实践提供新的途径和可能性。弄清体相水的结构，不但可以深入认识水的各种奇特性质，更好地研制新药、开发新能源，还能提高人们对生命过程的理解。《科学》杂志在创刊125周年之际，发布了全世界最具挑战性的125个科学问题，“水的结构和性质”即其中之一。本发明所述方法不仅可以部分回答此问题，还将超越这个问题，提出新的理解与研究方向。

技术实现思路

1、本发明提供限量限域双限控温法制备水分子链网络与二维水分子膜。

2、本发明基于以下基本原理：

3、(1)限域：水分子与基底具备相互作用，金属与非金属材质的亲疏水性、基底的形状、基底间的距离会影响到水的集聚体的结构，本发明利用平行的极板为水分子提供基底与1nm-100nm的限域空间，利用空心圆桶结构提供1nm-200nm的限域空间，利用空心球体结构提供1nm-500nm的限域空间。

4、(2)限量：在固定空间内水分子的数量会影响体系的压力等物理参数，同时水分子自身也是集聚体的搭建元素，已有的研究集中于水或冰的密度及以上密度，本发明为部分填充的低密度水。

5、(3)控温：温度是水相变的关键因素之一，升高温度能为水分子提供改变状态的能量，降低温度有助于水的集聚体结构趋向于稳定或者转变成更加稳定的结构，本发明中快速淬火可取得与温度缓慢变化不同的集聚体结构。

6、(4)极性：水分子是极性分子，氧原子带有负电荷，氢原子带有正电荷，水分子之间能够形成氢键，这是水具有高比热容和高表面张力的原因之一。水分子的结构和相互作用力是本发明方法中水存在新物态的内在因素。

7、本发明采用如下技术方案：

8、限量限域双限控温法制备水分子链网络与二维水分子膜，包括如下步骤：

9、(1)配置平行极板为水分子提供基底与1nm-100nm的限域空间，配置空心圆桶结构提供1nm-200nm的限域空间，或者配置空心球体结构提供1nm-500nm的限域空间，在常温常压下将平行极板、空心圆桶或者空心球体内部填充满液态水，限域空间内水的密度为1g/cm3；

10、(2)将平行极板、空心圆桶或者空心球体周边密封，留有一端设置防水透气膜，置于可抽真空的仪器中，将温度升至500k，水分子相变由液态向气态转变，抽真空至限域空间内水的密度为0.1-0.6g/cm3，或者将平行极板、空心圆桶或者空心球体填满真空仪器，无需周边密封，无需防水透气膜，将真空仪器作为其共有密封罩，将温度升至500k以上，水分子相变由液态向气态转变，抽真空至限域空间内水的密度为0.1-0.6g/cm3；

11、(3)将周边密封且设置防水透气膜平行极板、空心圆桶或者空心球体完全密封，或者将装有无需周边密封，无需防水透气膜的平行极板、空心圆桶或者空心球体所在的真空仪器完全密封，快速淬火降温至1-100k，限域空间内的水形成水分子链网络，包含有大量一个一个连接起来形成水单分子链；

12、(4)将周边密封且设置防水透气膜平行极板、空心圆桶或者空心球体完全密封，或者将装有无需周边密封，无需防水透气膜的平行极板、空心圆桶或者空心球体所在的真空仪器完全密封，快速淬火降温至100-300k，限域空间内的水形成单分子层二维冰、单分子层二维水分子膜，多分子层二维冰、多分子层二维水分子膜。

13、步骤(1)中的平行极板、空心圆桶、空心球体可以是单个也可以是多个，可由精密机械加工制备或者自然界存在的结构代替。

14、步骤(2)中的防水透气膜是高分子防水材料，俗称“呼吸纸”，气体分子可通过，液体分子不可通过，常见材料为聚四氟乙烯，工作温度在500k以上。

15、步骤(3)中的完全密封可以采用填料密封、胀圈密封、机械密封、磁流体密封，完全密封的平行极板、空心圆桶或者空心球体在1k-100k条件下取出进行观察、检测、应用，水分子聚集体结构保持不变，水分子链网络属于水的新的物态。

16、步骤(4)中的单分子层二维冰、单分子层二维水分子膜，多分子层二维冰、多分子层二维水分子膜不同于传统意义上的三维冰与二维冰，具有自己独有的堆积结构、孔洞结构、连接结构。

17、本发明具有如下优势：

18、(1)本发明所述方法可制备水分子链网络，获得水的新物态，水分子能够一个一个连接起来形成单分子链，能够在限量限域特定温度下稳定存在。

19、(2)本发明所述方法可以简洁、高效、可靠地制备单分子层二维冰、二维水分子膜，多分子层二维冰、二维水分子膜，这些二维水结构具有自己独有的堆积结构、孔洞结构、连接结构，获得水的新物态。

20、(3)本发明所述方法形成二维结构后降温，结构更加趋于稳定，有利于取出后对二维结构进行观察与应用。

21、(4)本发明所述方法可以通过温度进行调节形成多种传统方法无法制备的结构，突破传统认知框架。

22、(5)本发明所述方法引入水的单分子链网络概念，可视为新型分子量子材料及原子级制造的一个典型案例，为水的物态研究、带电溶液、电光效应、光电器件、海水淡化、超导、超输运、超润滑、海水淡化、甚至是光刻机等领域的基础研究与应用实践提供新的途径和可能性。

23、(6)本发明所述方法原理分明，步骤简洁，材料选择范围广。

1.限量限域双限控温法制备水分子链网络与二维水分子膜，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的平行极板、空心圆桶、空心球体可以是单个也可以是多个，可由精密机械加工制备或者自然界存在的结构代替。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的防水透气膜是高分子防水材料，俗称“呼吸纸”，气体分子可通过，液体分子不可通过，常见材料为聚四氟乙烯，工作温度在500k以上。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的完全密封可以采用填料密封、胀圈密封、机械密封、磁流体密封，完全密封的平行极板、空心圆桶或者空心球体在1k-100k条件下取出进行观察、检测、应用，水分子聚集体结构保持不变，水分子链网络属于水的新的物态。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的单分子层二维冰、单分子层二维水分子膜，多分子层二维冰、多分子层二维水分子膜不同于传统意义上的三维冰与二维冰，具有自己独有的堆积结构、孔洞结构、连接结构。