水在纳米限域或界面环境下表现出与体相完全不同的热力学与动力学性质。例如，极端限域的水可以在远低于0℃时仍保持液态，或者结晶成异于常规冰的多晶型态。在生物体系中，细胞内大量拥挤的生物大分子将水局限在纳米级空间，由此衍生的特殊水环境会显著影响蛋白折叠、酶促反应速率等过程。尤其在深度过冷条件下，限域水的复杂动力学特征与相变行为息息相关。然而，人们对于限域过冷水的“动力学非均一性”知之甚少。这一非均一性指的是液体中存在快慢不同的分子运动区域，它在体相过冷水中尤为明显：移动较慢的区域往往出现局部冰样的结构排布，成为日后冰核的“温床”。正是这种较慢动力学与增强结构有序度的耦合，使得动力学非均一性被认为促进了体积水中的冰晶成核。然而，当水被限制在纳米尺度（例如蛋白质表面）时，这种动力学-结构间的关联是否会被显著改变，目前尚不清楚。澄清这一问题对于理解限域环境下冰核形成的机制至关重要。
体积水 vs. 蛋白限域水的动力学非均一性对比。
中国科学院福建物质结构研究所庄巍团队针对上述问题开展了系统的模拟研究。首先，本工作探索了限域水动力学-结构耦合的内在机理，对受限环境中冰晶成核理论和生物抗冻机理提供了新见解。从分子层面展示了通过蛋白质等限域环境可以实现水分子氢键网络动力学与结构的去耦合，从而改变过冷液体的成核路径。拓展了传统玻璃态/冰核形成理论在纳米尺度下的图像。其次，本研究比较了促成核蛋白与抗冻蛋白对界面水的作用差异，发现尽管二者均有规则冰亲和界面，但只有促成核蛋白显著削弱了水的动力学-结构相关性，而抗冻蛋白未如此。这暗示了冰核蛋白可能通过降低成核所需的动力学重排障碍，来实现高效成冰；而抗冻蛋白则可能利用界面水的有序-缓慢耦合来稳定自身表面的冰样水层，从而阻止自由冰核的形成。这些推论有待进一步实验证实，但为理解生物冰冻调控提供了方向。最后，从应用角度看，如果我们能通过调节界面属性来控制水的动力学非均一性与结构预有序程度，就有望在材料防冰、食品冷冻和细胞低温保存等方面取得突破。例如，设计具有特定亲水/疏水图案的表面，诱导水以无序快速的方式冻结，或延缓冰核形成，都可能成为有效策略。
研究成果以“Protein Confinement Decouples Dynamical Heterogeneity from Structural Preordering in Supercooled Monolayer Water”为题发表在JACS Au上。本论文第一作者为福建物质结构研究所的金坦博士，通讯作者为庄巍研究员。本研究受到国家自然科学基金（22273106）、中国科学院战略先导项目（XDB1170000）、海西研究院自部署项目（CXZX-2022-GH02）和福建省STS项目（2024T3023，2024T3001）的资助。
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