【儀表網 研發快訊】上海科技大學物質科學與技術學院孫兆茹課題組長期致力于開發融合物理規律的機器學習力場，推動AI for Science在復雜電解質溶液體系中的創新應用。近期，研究團隊運用深度勢能分子動力學(Deep Potential Molecular Dynamics，DPMD)方法，在保持第一性原理精度的同時大幅提升模擬效率，實現了不同濃度溶液長達納秒尺度的動態過程模擬，揭示了鎂離子第二水合殼層中離子-水相互作用與氫鍵網絡的動態競爭關系，為理解高濃度電解質溶液的微觀行為提供了新的視角。相關成果以“Second Hydration Shell of Mg2+: Competition between Ion-Water Interaction and Hydrogen Bonding Interaction”為題，發表于物理化學領域期刊《物理化學快報》(The Journal of Physical Chemistry Letters)。
鎂離子在能源存儲與生物醫藥等領域有著重要應用，其獨特的水合特性直接影響著離子電池效率和蛋白質穩定性等關鍵性能。傳統觀點認為，鎂離子的強水合作用僅限于第一水合殼層，但關于第二水合殼層的結構與動力學行為，長久以來存在爭議。
為此，孫兆茹團隊博士研究生李瑋煜創新性地采用深度勢能分子動力學方法模擬不同濃度下MgCl2溶液的結構與動力學行為，通過對比SCAN泛函與PBE+TS-vdW泛函的結果，取得了重要發現：
第二水合層柔性差異——SCAN泛函能準確捕獲中程范德華作用，因此揭示了第二殼層水分子的動態交換行為(平均配位數13.26)；而PBE+TS-vdW由于氫鍵過強，導致水分子呈現出較為剛性的結構(配位數14.10)。
動力學遲滯效應——SCAN模擬顯示，鎂離子產生了對第二殼層水分子旋轉動力學的顯著遲滯效應(水分子偶極矩時間關聯函數的衰減速度介于第一殼層與體相水之間)，此現象在PBE+TS-vdW中因氫鍵主導而被掩蓋。
(圖1：a、b為兩種泛函的第二層Mg-O配位數分布以及O-Mg-O的角度分布對比；c、d為Mg2+第二水合層水分子偶極時間關聯函數曲線對比)
水合數濃度依賴機制——隨著MgCl2濃度從0.17M增加至3.00 M，Cl-通過形成溶劑共享離子對(solvent-shared ion pairs，SSHIPs)侵入第二殼層，導致水合數從>6逐漸下降。SCAN的結果與實驗觀測趨勢一致，而PBE+TS-vdW方法存在系統性偏差。這種偏差的根源在于兩種泛函對于離子-水相互作用與氫鍵網絡競爭關系的不同描述。
(圖2：不同方法下MgCl2溶液的水合數對比)
本研究首次揭示了氫鍵網絡與離子作用之間的動態平衡機制在決定第二水合殼層行為中的關鍵作用，為解決長期存在的離子中長程水合動力學爭議提供了新見解。研究成果不僅為高性能抗凍結水系鎂電池開發提供了理論支持，也為鎂離子催化機制解析及離子選擇性膜材料的優化等方向開辟了新思路。
上海科技大學物質學院孫兆茹課題組博士研究生李瑋煜為論文的第一作者，孫兆茹教授為通訊作者，上海科技大學為唯一完成單位。
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