The structure and phase of water are closely related to the hydrogen bond (HB). When water is confined in low dimensional materials, it can form unusual HB network due to the geometric constraints. Water molecules inside the (8,8) carbon nanotube take stacked-pentagonal ring structure and form a monolayer between 6Å graphene sheets. We here present the nature of HB in low dimensional ice-like water using a first-principle energy decomposition method. In addition to the geometric differences compared to the hexagonal ice with tetrahedral bonding pattern, we observed the weakened HBs in ice-like water inside low dimensional materials. The distortion of lone pair electrons of water from a tetrahedral symmetry due to the confinement effect reduces the strength of HB in ice-like water. The comparative analysis reported in this work can provide the insight into the highly confined system such as biological channels and interfacial water system.
물의 구조와 상은 수소결합과 밀접한 관계가 있다. 물이 저차원 물질에 갇혔을 때, 기하학적 제약으로 인해 일반적이지 않은 수소결합 네트워크를 형성할 수 있다. (8,8) 탄소 나노튜브 내부의 물 분자는 5각형 고리 구조를 가지고, 6Å 그래핀 사이에 갇힌 물 분자는 단분자층을 형성한다. 여기서 우리는 제1원리의 에너지 분해 방법을 사용하여 저차원에 갇힌 얼음과 유사한 특징을 보이는 물의 수소결합 특성을 제시한다. 정사면체 결합 형태를 가진 육각형의 얼음과 비교하여 기하학적 차이 이외에 우리는 저차원 물질 내부의 얼음과 같은 물 분자의 수소결합이 약화됨을 관찰했다. 저차원에 갇히는 효과로 인해 물의 단일 전자쌍은 정사면체 대칭으로부터 뒤틀리게 되어 수소결합의 세기가 약해지게 된다. 이 연구에서 보고된 비교 분석은 생물학적 채널과 계면과 물이 있는 계와 같이 고도로 밀폐된 시스템에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.
