研究融入粘土等層狀材料中的水分子排列與這些材料中的離子排列之間的關係一直是一個難以進行的實驗。然而，研究人員現在通過利用一種通常用於測量極小質量和納米級分子相互作用的技術，首次成功地觀察到了這些相互作用。

封閉的納米空間的圖像，其中水分子圍繞著離子的結構。資料來源：藝術行動公司，福井高哉

這些發現最近發表在《自然通訊》雜誌上。

許多材料在微觀或納米尺度上採取分層形式。例如，當乾燥時，粘土類似於一系列相互堆疊的薄片。然而，當這種分層材料遇到水時，水可以被限制並融入層與層之間的縫隙或孔中，或者更準確地說，是”孔”。

當水分子或其組成元素，特別是氫氧根離子（一種由單個氧原子和單個氫原子組成的帶負電荷的離子）被整合到材料的結晶結構中時，也會發生這種”水化”。這種類型的材料，即”水合物”，不一定是”濕”的，即使水現在是它的一部分。水合作用也可以大大改變原始材料的結構和特性。

在這種”納米細化”中，水化結構–水分子或其組成元素的排列方式–決定了原始材料儲存離子（帶正電或負電的原子或原子組）的能力。

這種水或電荷的儲存意味著這種層狀材料，從傳統的粘土到層狀金屬氧化物，以及關鍵的是它們與水的相互作用，具有廣泛的應用，從水淨化到能源儲存。

然而，研究這種水合結構和這種層狀材料的離子儲存機制中的離子配置之間的相互作用已被證明是一個巨大的挑戰。而分析這些水合結構在這些離子的任何運動過程中如何變化（’離子傳輸’）的努力則更加困難。

(a) 具有不同宿主電荷密度的層狀材料中的層間結構示意圖。在層間空間中，水分子被納入未被電荷補償離子填充的宿主電荷的孔隙中。(b) 具有能量耗散監測功能的石英晶體微天平（QCM-D）在具有不同宿主電荷密度的LDH中的離子交換反應曲線，顯示了頻率（Δf）和耗散（ΔD）的變化。資料來源：修改自Tomohito Sudare等人，Nat Commun（2022）13, 6448。

最近的研究表明，這種水的結構和與層狀材料的相互作用在賦予後者高的離子存儲能力方面起著重要作用，所有這些反過來又取決於承載水的層的靈活性如何。在層與層之間的空間裡，任何沒有被離子填充的孔隙都會被水分子填充，從而幫助穩定層狀結構。

該研究的通訊作者、信州大學超材料研究計劃的材料化學家Katsuya Teshima說：”換句話說，水結構對層間離子的結構很敏感。而在許多不同的晶體結構中，這種離子配置控制著可以儲存多少離子，但直到現在這種配置還很少被系統地研究。”

因此，手島的研究小組尋求”具有能量耗散監測功能的石英晶體微天平”（QCM-D）來幫助他們進行理論計算。QCM-D本質上是一種像天平秤一樣工作的儀器，可以在納米水平上測量極其微小的質量和分子相互作用。該技術還可以測量能量損失的微小變化。

研究人員利用QCM-D首次證明了可以通過實驗觀察到限制在層狀材料納米空間內的水分子結構的變化。

他們通過測量材料的”硬度”來做到這一點。他們調查了一類帶負電的粘土的層狀雙氫氧化物（LDH）。他們發現，當任何離子交換反應發生時，水合結構與LDHs的硬化有關（一種離子與另一種離子的交換，但有相同的變化）。

“換句話說，離子相互作用的任何變化都起源於離子融入納米空間時發生的水化結構的變化，”該研究的合作者、現在東京大學的蘇達雷（Tomohito Sudare）補充說。

此外，研究人員發現，水合結構高度依賴於層狀材料的電荷密度（每單位體積的電荷量）。這反過來又在很大程度上製約著離子存儲能力。

研究人員現在希望將這些測量方法與離子的水合結構知識結合起來，設計出新的技術來提高層狀材料的離子存儲能力，從而有可能為離子分離和可持續能源存儲開闢新的途徑。