對于肉眼，大多數材料具有相對光滑的表面。但在高倍放大下，這些表面可能布滿小孔或孔隙。多孔材料具有一系列有用的用途，從分離化學品到將有機分子轉化為所需的產品或燃料。

已知一類這樣的材料沸石具有不同尺寸的孔，這使得它們可以用于一系列不同的應用。科學家們已經學會了如何制造具有可控孔徑和活性催化位點的定制沸石，以進行選擇性化學反應。然而，關于沸石孔隙內部究竟發生了什么，特別是水如何影響系統的整體行為，許多基本問題仍然存在。由于水存在于許多關鍵的化學轉化中，不了解其作用會限制旨在控制沸石反應性的策略的有效性。

來自太平洋西北國家實驗室 (PNNL) 的一組科學家及其在熱那亞意大利理工學院和盧加諾意大利大學的合作者使用計算機模擬來解釋沸石孔隙內的水如何影響它們進行有用的化學反應.?他們的結果有助于解釋以前令人困惑的實驗觀察結果，并提出了創造設計師沸石的新方法。“研究人員一直在爭論水在沸石中的作用，以及不同的孔隙如何影響它們的反應性。我們很高興使用分子模擬來參與辯論，”PNNL 計算科學家 Vanda Glezakou 說。

天然沸石是硅原子和鋁原子與氧結合形成多孔固體的連接網絡。此前，研究人員通過控制孔徑來限制某些化學物質（如水）進入的量來調整沸石的反應性。 然而，PNNL 科學家 Vanda Glezakou、Roger Rousseau、Johannes Lercher 和他們的合作者發現這可能不是控制水相互作用的正確方法。他們的發現在Nature Communications 中有詳細介紹，探討了水在沸石中備受爭議的作用。結果表明，無論孔徑大小或其他沸石特性如何，水都會在孔隙壁上形成團簇，就像巖石上的苔蘚一樣。研究團隊使用統計方法對意大利和瑞士的團隊成員開發的復雜化學建模來應對挑戰。他們的方法表明，水團簇通過形成納米尺寸的液滴來溶解活性質子，從而影響整個系統的反應性。

但是，像水這樣簡單的東西如何能顯著改變沸石作為催化劑的作用呢？這一切都歸結為分子之間的相互作用。當水團簇形成時，它會調動一種稱為質子的帶正電粒子——催化的積極驅動因素——它溶解在水中。結果的普遍性強調了質子在水在沸石催化的化學反應中的關鍵作用。

這項研究首次證明，執行重要催化轉化的質子不依賴于沸石孔的大小。與水團簇相關的質子與附著在孔壁上的質子具有非常不同的特性，這會改變它在化學反應中的行為。從這項研究中獲得的新理解可以幫助指導研究人員嘗試制造可以充當更有效催化劑的新型沸石，尤其是在低溫下，水團簇在孔隙內保持緊密連接。

這項研究還為詳細研究沸石中的催化作用提供了基礎。對于團隊來說，工作只是開始。他們的結果表明，尖端計算方法成功應用于催化系統，并確定了水團簇在控制沸石酸度中的作用。這些基礎見解可以為未來的研究提供信息，這些研究將目標分子和活性水簇催化劑結合起來，以模擬重要的能量相關反應。這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。