科学家发现，当分子置换出被困水时，水释放的能量能使分子形成更强的化学键。
作者：伊丽莎白·雷恩 发布时间：2025年11月26日 上午9:30（美国东部时间）
图片来源：Eugene Mymrin/Getty Images
阅读本文，您将了解：
- 被困在分子间隙中的水行为不同于自由流动的水，因其蕴含更高能量。
- 研究人员发现，当其他分子置换出这种水时，水留下的能量能使整个分子与其他分子形成更强的化学键。
- 科学家认为，利用困陷水的这一特性可助力开发更有效的新型材料和药物，提升其分子层面的效能。
无论是奔流的河流、起伏的波浪，还是划过车窗的雨滴，水几乎总处于运动状态。但如果水被完全困住无法移动，会发生什么？
液态水确实可能被固定，但此时现象会变得异常。当水被限制在分子间的极狭窄空间时，其行为会变得怪异，且它与周围分子的相互作用方式长期不明。德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）化学家弗兰克·比德曼试图解开这一谜题——困陷水是与周围分子共存，还是参与其相互作用？他与研究团队通过计算机模拟分析困陷水的行为，结果发现了令人惊讶的现象。
尽管无法移动，被困在分子间隙中的水却具有高能量特性。但当另一分子介入并置换出水时，情况立即改变。水携带大量积聚能量迅速退出原占据空间，推动新分子进入。研究显示，水释放的能量强度足以显著增强新分子与所填充空位之间的连接，同时强化原始分子与其他分子的键合强度——不过键合强度具体取决于水所作用的物质类型。
比德曼在近期发表于《应用化学》期刊的研究中指出：“对简化主客体系统的当前计算分析清晰表明，结合亲和力受结合位点释放水的热力学性质强烈影响。这些水的热力学性质及相关水置换的有利程度，随主体分子的化学特性显著变化。”
可将此现象类比为高峰时段拥挤的地铁车厢——每个座位和站立空间均被占满。乘客会急切地寻找机会下车，车门开启时人群涌向站台，让新乘客抢占所有可用位置。初始乘客群如同水分子：一旦逃脱，便为后续人群腾出空间，而站台剩余空间的多少会促使新乘客奋力挤入。
尽管地铁中不存在物理能量传递，但涌出的人流可能激励候车者 rush in（冲入）抢占座位。高峰时段的拥挤程度更是加剧这一过程。同理，高能水释放的能量多少取决于其初始能量及新分子类型，成为新分子的结合力来源。蕴含更高能量的水与合适分子作用时，其行为恰似高峰时段的拥挤人群。
比德曼的发现应用远超困陷水行为的物化机制解析。通过此方式强化分子键合，最终可创造更强效的药物和材料。若在药物中发现蛋白质间存在困陷水，科学家可开发特定配方，使活性分子置换出水并利用其能量提供的结合力。增强的键合将使治疗更有效。
研究人员表示：“此处开发的概念适用于其他大分子主体分子，因此可广泛用于解释观测现象并指导药物与超分子系统的设计。”
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