水對地球上幾乎所有生命活動都至關(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驚喜。

在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水被限制在兩片原子級平整的晶體表面之間、厚度僅有幾納米的空間中時，它會展現(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辟了新的研究方向，對多個領(lǐng)域都具有深遠影響。

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，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。在生物細胞、土壤、膜以及多孔巖石中，水往往被限制在納米級的微小空間中——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，比如被夾在兩個表面之間，它在垂直于表面的方向上幾乎失去對電場的響應(yīng)能力，垂直方向上的介電常數(shù)僅約為2。

不過，在與表面平行的方向上的電學(xué)行為，則長期以來不為人知。原因是在狹窄的受限空間中測量局部介電性質(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，探測了水在平面方向上的電學(xué)性質(zhì)。

研究人員通過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、寬度達數(shù)百納米的通道。在實驗中，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探測水在其中的電學(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）

實驗結(jié)果令研究人員大為震驚！當(dāng)通道厚度大于約3納米時，水的行為與體相水幾乎相同，其電導(dǎo)率僅有輕微升高，主要是因為通道表面上的電荷對水分子產(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，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，水的平面內(nèi)導(dǎo)電率也顯著提升了幾個數(shù)量級，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”——在一個方向上，它電性依然“死寂”；而從另一個方向看，它又變得異?；钴S。

關(guān)鍵的氫鍵網(wǎng)絡(luò)

為什么會出現(xiàn)如此戲劇性的變化？研究人員認為，這種轉(zhuǎn)變源于極端受限環(huán)境會破壞水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。

體相水中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)在總體上是一個動態(tài)而有序的結(jié)構(gòu)，但在分子尺度的狹窄空間內(nèi)，這個網(wǎng)絡(luò)會變得無序，這種無序的分子排列會使得水分子的電偶極子更容易與電場對齊，從而產(chǎn)生巨大的極化率。與此同時，氫鍵網(wǎng)絡(luò)的破壞也增強了水分子之間的質(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。

重新認識“水”

這項驚人的發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對“受限水”的傳統(tǒng)認識。曾因石墨烯研究獲得諾貝爾獎的Andre Geim教授，是這項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，在被壓縮到極限時仍能帶來新的驚喜。”

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

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

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：jingoba / Pixabay