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最新量子材料發現：石墨烯包覆下水分子的新原子結構相

在常壓條件下，水最常見的兩種相態分別為：室溫下不具晶體週期性的液態，以及低溫下具有六方晶系結構的冰相。除了六方晶系結構的冰相外，水還可在特定條件下形成多種其他冰相，然而多數具特殊結構的冰相僅能在高壓環境中穩定存在。傳統上認為，在室溫與常壓的條件下，水分子難以形成具有明確原子排列位置的晶體結構。

近期，中研院黃英碩研究員主導了一項研究，他與中央研究院陳敬修博士與徐偉豪博士、台灣大學朱明文教授使用穿透式電子顯微鏡發現，即使在室溫與常壓下，被石墨烯所包覆的水亦可形成具有週期性的晶體結構，顯著不同於一般液態水的無序狀態。在介觀尺度下，這些水分子被觀察到形成了包覆氣體分子的籠形結構。日本九州大學富安亮子教授利用實驗所得到的電子繞射數據，成功解析出此常溫常壓下具有晶體結構的水所對應之晶格常數。

本系李啟正副教授利用這些資訊，進一步運用第一原理理論計算，最後與團隊建構出該籠形水合物中水分子的晶體結構。結果顯示，這些水分子形成了五角環形式的鍵結圖像，與已知的冰相 XVII高度相似。本研究成果不僅展示了水在室溫常壓與受包覆的環境下具備了結晶之能力，也對探討水與氣體分子間的交互作用及室溫下水的微觀結構提供了重要線索。
參考文獻：Small Structures 6, 2400594 (2025).