水對(duì)地球上幾乎所有生命活動(dòng)都至關(guān)重要，因此，科學(xué)家們已經(jīng)非常深入地研究了它的各種性質(zhì)。然而，它卻依然不斷地給我們帶來(lái)驚喜。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水被限制在兩片原子級(jí)平整的晶體表面之間、厚度僅有幾納米的空間中時(shí)，它會(huì)展現(xiàn)出類似鐵電體和超離子液體等材料才具備的奇異電學(xué)性質(zhì)。

這一發(fā)現(xiàn)為理解水在與其他材料界面上的行為開(kāi)辟了新的研究方向，對(duì)多個(gè)領(lǐng)域都具有深遠(yuǎn)影響。

從體相水到受限水

在體相狀態(tài)下，液態(tài)水雖然只允許極微弱的電流通過(guò)，但能有效地屏蔽離子或分子之間的電相互作用力。這種屏蔽效應(yīng)通常由介電常數(shù)來(lái)衡量。在室溫下，體相水有著極高的介電常數(shù)（約為80），以及對(duì)于一種絕緣體而言較高的電導(dǎo)率。

這些電學(xué)特性都與體相水中致密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，正是這種網(wǎng)絡(luò)決定了水的主要物理和化學(xué)性質(zhì)：能夠溶解鹽類、穩(wěn)定生物分子，并促成生命體系所需的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。

然而，自然界中的大部分水，并非是以這種體相液態(tài)形式存在的。在生物細(xì)胞、土壤、膜以及多孔巖石中，水往往被限制在納米級(jí)的微小空間中——在這種情況下，水分子的排列方式與體相水截然不同。

此前的研究表明，當(dāng)水被限制在納米尺度的空間時(shí)，比如被夾在兩個(gè)表面之間，它在垂直于表面的方向上幾乎失去對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)能力，垂直方向上的介電常數(shù)僅約為2。

不過(guò)，在與表面平行的方向上的電學(xué)行為，則長(zhǎng)期以來(lái)不為人知。原因是在狹窄的受限空間中測(cè)量局部介電性質(zhì)是極為困難的。

水在納米尺度下的平面電性

在新的研究中，研究人員采用掃描介電顯微術(shù)（SDM），在真正的納米尺度上，探測(cè)了水在平面方向上的電學(xué)性質(zhì)。

研究人員通過(guò)在石墨上堆疊的六方氮化硼（hBN）層之間，構(gòu)建出厚度僅幾納米、寬度達(dá)數(shù)百納米的通道。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將水注入這些狹窄通道，并利用原子力顯微鏡（AFM）的超尖銳金屬探針來(lái)探測(cè)水在其中的電學(xué)行為。

在納米尺度通道中探索水的電學(xué)行為。（圖/R.Wang et. al）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令研究人員大為震驚！當(dāng)通道厚度大于約3納米時(shí)，水的行為與體相水幾乎相同，其電導(dǎo)率僅有輕微升高，主要是因?yàn)橥ǖ辣砻嫔系碾姾蓪?duì)水分子產(chǎn)生了影響。而當(dāng)厚度減至1–2納米，相當(dāng)于僅包含4–5層水分子時(shí)，液體發(fā)生了劇烈的狀態(tài)：其平面介電常數(shù)猛增至1000以上——與用于高端電子元件的鐵電材料相當(dāng)；與此同時(shí)，水的平面內(nèi)導(dǎo)電率也顯著提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，接近被視為下一代電池關(guān)鍵材料的超離子液體。

研究人員形象地將這比喻為水就像擁有了“雙重人格”——在一個(gè)方向上，它電性依然“死寂”；而從另一個(gè)方向看，它又變得異?；钴S。

關(guān)鍵的氫鍵網(wǎng)絡(luò)

為什么會(huì)出現(xiàn)如此戲劇性的變化？研究人員認(rèn)為，這種轉(zhuǎn)變?cè)从?strong>極端受限環(huán)境會(huì)破壞水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。

體相水中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)在總體上是一個(gè)動(dòng)態(tài)而有序的結(jié)構(gòu)，但在分子尺度的狹窄空間內(nèi)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得無(wú)序，這種無(wú)序的分子排列會(huì)使得水分子的電偶極子更容易與電場(chǎng)對(duì)齊，從而產(chǎn)生巨大的極化率。與此同時(shí)，氫鍵網(wǎng)絡(luò)的破壞也增強(qiáng)了水分子之間的質(zhì)子（氫離子，H?）傳遞能力，使得水的電導(dǎo)率接近超離子液體。

重新認(rèn)識(shí)“水”

這項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對(duì)“受限水”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。曾因石墨烯研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)的Andre Geim教授，是這項(xiàng)研究的通訊作者之一，他表示：“正如石墨被剝離至單原子層后揭示出全新的物理特性一樣，這項(xiàng)研究表明，即便是地球上研究最充分的液體——水，在被壓縮到極限時(shí)仍能帶來(lái)新的驚喜。”

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)超基礎(chǔ)科學(xué)。對(duì)納米尺度下水的電學(xué)特性進(jìn)行深入理解，不僅對(duì)物理學(xué)和化學(xué)研究至關(guān)重要，也可能推動(dòng)先進(jìn)電池、微流體技術(shù)、納米電子學(xué)以及生物系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。

可以說(shuō)，這項(xiàng)研究改變了人們看待水的方式——地球上最普通的物質(zhì)，其實(shí)蘊(yùn)藏著迄今尚未完全揭示的非凡潛能。

#參考來(lái)源：

https://www.manchester.ac.uk/about/news/water-reveals-superpowers-hidden-at-the-nanoscale/

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03128-y

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09558-y

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：jingoba / Pixabay