界面水的相变行为及其生物效应

界面水在许多材料和生物体系广泛存在，且受到表面结构、固液界面作用、自身氢键网络以及热扰动等因素影响，体现出非常复杂的行为。目前，尽管人们发现界面水存在丰富相态，但人们对界面水分子如何影响界面物理性质和生物功能仍不够清楚。我将重点关注表面结构诱导水（溶液）的复杂的相变行为对体系物理性质的影响，以及生物如何利用这种微观行为调控生物功能，包括：(1)理论预言二维固体表面结构诱导界面水常温常压下的有序-无序相变行为，这种界面水的氢键网络的集体有序行为导致常温下“不完全浸润的有序单层水” [1，2]，解决了领域内一些争议问题，工作引发国内外一系列后续实验和理论工作[3]； (2)与实验合作，提出抗冻蛋白界面水分子的有序-无序行为参与抗冻蛋白控冰生物功能的关键分子机制：抗冻蛋白两个不同界面的残基结构和亲水作用分别诱导了水的无序和有序行为，使得蛋白结冰面诱导有序水并提高成核结冰相变温度，非结冰面诱导无序水并降低成核结冰相变温度[4]；(3)理论揭示纳米受限三维空间和水分子参与导致双亲分子溶解状态在分散与聚集态之间发生自发转变[5]。[1] C. Wang et al., Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 137801[2] C. Wang* et al., Phys. Rev. Mater. 2019, 3, 065602[3] C. Wang et al. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2015, 57, 802-809[4] K. Liu, C. Wang*,…J. Wang* et al., PNAS, 2016, 113, 14739[5] L. Zhao, C. Wang* et al., Phys. Rev. Lett., 2014, 112, 078301