結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)是自然界的黃金法則。當物質(zhì)被限域在原子、離子和分子特征尺寸相當?shù)陌３叨瓤臻g時，其行為會與體相狀態(tài)以及僅在稍大尺度（納米尺度）的限域空間內(nèi)表現(xiàn)出顯著不同。這種差異源于界面效應(yīng)（邊界處的對稱性破缺）與尺寸效應(yīng)（量子限域）的極端耦合。例如，水的連續(xù)介質(zhì)模型在小于1納米的限域空間中失效，分子特性開始占據(jù)主導(dǎo)地位。自然界中的生物離子通道（如Aquaporin）正是利用其埃尺度的選擇性過濾器，實現(xiàn)了既超快又高度選擇性的物質(zhì)傳輸，啟發(fā)了科學(xué)家們構(gòu)建人工埃尺度限域系統(tǒng)。

近年來，以石墨烯、二硫化鉬為代表的二維材料家族的蓬勃發(fā)展為精確構(gòu)建此類二維限域空間提供了前所未有的機遇，使得探索物質(zhì)在這一極端尺度下的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)和新傳輸機制成為可能，從而催生了這一充滿潛力的新興前沿領(lǐng)域。

圖1 原子、分子和離子的特征參數(shù)

香港城市大學(xué)曾曉成教授、張文軍教授團隊系統(tǒng)性地總結(jié)了在埃尺度二維限域空間中物質(zhì)科學(xué)的最新進展。文章首先概述了精確構(gòu)建此類限域系統(tǒng)的兩種主要方法：利用二維材料的范德華組裝技術(shù)和基于溶液組裝的納米片重堆疊技術(shù)。隨后，文章深入探討了水、離子和氣體在埃尺度二維限域下的行為。

對于水，重點闡述了其分子結(jié)構(gòu)、氫鍵網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)如何影響其相行為和物理化學(xué)性質(zhì)。對于離子，文章提出了單離子傳輸模型，并討論了離子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及由此產(chǎn)生的非常規(guī)鹽相和結(jié)晶路徑。

對于氣體，則聚焦于其在限域空間內(nèi)的冷凝行為和超越經(jīng)典Knudsen理論的奇異傳輸現(xiàn)象。最后，文章批判性地評估了當前的知識空白，并展望了該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向和技術(shù)潛力。

圖2 埃級二維限域結(jié)構(gòu)構(gòu)建

埃尺度二維限域的研究已催生了眾多新奇的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、特性和傳輸現(xiàn)象。一個核心挑戰(zhàn)在于，在此原子/分子尺度上，基于連續(xù)介質(zhì)模型的宏觀物理化學(xué)定律（如密度、介電常數(shù)、粘度等概念）不再適用，亟需建立新的理論框架。目前研究多集中于水溶液體系，對非水溶劑和非去溶劑化過程的理解尚不系統(tǒng)。

未來需要繼續(xù)在限域工程、實驗技術(shù)和理論工具上取得突破，例如發(fā)展高能同步輻射、超快光譜、基于氮-空位中心的量子傳感等先進表征手段，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)和人工智能驅(qū)動的計算模擬與數(shù)據(jù)分析，以闡明亞連續(xù)介質(zhì)regime下的物理規(guī)律。填補這些知識空白不僅具有基礎(chǔ)科學(xué)意義，更有望催生變革性技術(shù)，如仿生高精度分離膜、新型功能材料合成、高效能源轉(zhuǎn)換與存儲、低功耗類腦離子電子學(xué)以及室溫原子操控等。

Wang, M., Jiang, J., Huang, C. et al. Matter in ?ngstr?m-scale two-dimensional confinement. Nat Rev Chem (2026). https://doi.org/10.1038/s41570-026-00805-y

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