对于肉眼，大多数材料具有相对光滑的表面。但在高倍放大下，这些表面可能布满小孔或孔隙。多孔材料具有一系列有用的用途，从分离化学品到将有机分子转化为所需的产品或燃料。
已知一类这样的材料沸石具有不同尺寸的孔，这使得它们可以用于一系列不同的应用。科学家们已经学会了如何制造具有可控孔径和活性催化位点的定制沸石，以进行选择性化学反应。然而，关于沸石孔隙内部究竟发生了什么，特别是水如何影响系统的整体行为，许多基本问题仍然存在。由于水存在于许多关键的化学转化中，不了解其作用会限制旨在控制沸石反应性的策略的有效性。
来自太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的一组科学家及其在热那亚意大利理工学院和卢加诺意大利大学的合作者使用计算机模拟来解释沸石孔隙内的水如何影响它们进行有用的化学反应. 他们的结果有助于解释以前令人困惑的实验观察结果，并提出了创造设计师沸石的新方法。“研究人员一直在争论水在沸石中的作用，以及不同的孔隙如何影响它们的反应性。我们很高兴使用分子模拟来参与辩论，”PNNL 计算科学家 Vanda Glezakou 说。
天然沸石是硅原子和铝原子与氧结合形成多孔固体的连接网络。此前，研究人员通过控制孔径来限制某些化学物质（如水）进入的量来调整沸石的反应性。 然而，PNNL 科学家 Vanda Glezakou、Roger Rousseau、Johannes Lercher 和他们的合作者发现这可能不是控制水相互作用的正确方法。他们的发现在Nature Communications 中有详细介绍，探讨了水在沸石中备受争议的作用。结果表明，无论孔径大小或其他沸石特性如何，水都会在孔隙壁上形成团簇，就像岩石上的苔藓一样。研究团队使用统计方法对意大利和瑞士的团队成员开发的复杂化学建模来应对挑战。他们的方法表明，水团簇通过形成纳米尺寸的液滴来溶解活性质子，从而影响整个系统的反应性。
但是，像水这样简单的东西如何能显着改变沸石作为催化剂的作用呢？这一切都归结为分子之间的相互作用。当水团簇形成时，它会调动一种称为质子的带正电粒子——催化的积极驱动因素——它溶解在水中。结果的普遍性强调了质子在水在沸石催化的化学反应中的关键作用。
这项研究首次证明，执行重要催化转化的质子不依赖于沸石孔的大小。与水团簇相关的质子与附着在孔壁上的质子具有非常不同的特性，这会改变它在化学反应中的行为。从这项研究中获得的新理解可以帮助指导研究人员尝试制造可以充当更有效催化剂的新型沸石，尤其是在低温下，水团簇在孔隙内保持紧密连接。
这项研究还为详细研究沸石中的催化作用提供了基础。对于团队来说，工作只是开始。他们的结果表明，尖端计算方法成功应用于催化系统，并确定了水团簇在控制沸石酸度中的作用。这些基础见解可以为未来的研究提供信息，这些研究将目标分子和活性水簇催化剂结合起来，以模拟重要的能量相关反应。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。
