科学家揭示水分子百年“未解之谜”，首次在水油界面检测到强电场

水油界面广泛存在于自然界和工业中，从细胞膜到化妆品，再从食品加工到石油开采，其性质对众多过程起到关键作用。

然而，长期以来，科学家们一直致力于探索界面水的行为和性质，但这一问题却是一个百年以来“悬而未决”的学术难题。

美国哥伦比亚大学闵玮教授课题组与合作者近期的一项研究，为理解油水界面的化学反应性提供了新的视角。

他们基于开发的新型拉曼光谱技术，揭示了水油界面处水分子的独特结构和强大的电场。

研究发现，界面处的水分子结构更加无序、氢键也更弱，并且首次测量到其存在一个强度约为 50-90MV/cm 的电场。这一发现不仅深化了对水油界面行为的理解，也为相关工业应用提供了重要的科学依据。

近日，相关论文以《油滴界面处水的结构和电场》（Water structure and electric fields at the interface of oil droplets）为题发表在Nature[1]。

哥伦比亚大学施立雪博士（现复旦大学研究员）是第一作者兼共同通讯作者，博士后 R·艾伦·拉库尔（R. Allen LaCour）是共同第一作者，美国加州大学伯克利分校特蕾莎·海德·戈登（Teresa Head-Gordon）教授和哥伦比亚大学闵玮教授担任共同通讯作者。

水的特殊性质在于：在大量水的情况下，性质表现为非常柔和以及惰性；但根据最近五到十年的研究文献，当水变成小水滴且与空气接触后，会产生一系列反常的化学反应。

例如，它可以还原金属，甚至“无中生有”地产生双氧水，这些现象极有可能与水在界面处的行为密切相关。尽管科学家们观察到这些异常的现象，但对于“水表面到底在发生什么”仍缺乏确凿的理论支撑。

在该研究中，研究人员发现油水界面处的水分子结构更加无序，氢键更弱，并且存在大量自由羟基（OH）基团，其振动频率发生显著红移（约 95 cm⁻¹）。

光学成像实验显示，带电的荧光探针会被吸引到油滴界面，并与界面处的电场对齐。此外，当向乳液中添加非离子表面活性剂 Triton X-100 时，油滴的电位降低，自由羟基的红移也随之减小。

并且，实验结论与理论计算结果高度相符，进一步支持了界面电场的存在及其对水分子振动频率的影响。

“这是一个令人惊讶的发现，界面处电场的强度居然这么高。我认为，这次的研究方法比之前的方法更加干净和可靠，为水油界面的特殊性质提供了有力的物理解释。”闵玮表示。

那么，这种电场可能发挥怎样的作用呢？

生物体内的化学反应是在生物催化剂酶的作用下发生的，发生催化的关键之处就在于需要强电场。闵玮指出，水油界面处的电场强度能够与酶相媲美，也就是说，水和油之间很有可能直接产生类似催化剂的效应。

实际上，该团队在五年前曾发现类似现象并推测存在的是电场，但由于当时技术的局限性，并没有对推测加以证实。该研究不仅实现了定量测量，而且实验结果与理论计算能够很好地吻合。

除了超强电场，研究人员还发现了一个非常有趣的现象：在水油界面处，有将近四分之一的水分子处于类似游离的状态。

虽然水分子的化学式是 H2O，由两个氢原子和一个氧原子组成，但实际上水分子从不单独存在，而是往往和其他水分子共同形成一个庞大的氢键网络。

然而在水油界面处，这种集体行为被“打破”了：大约有四分之一的水分子脱离了这个网络，进入了一种半游离的状态。这种状态的水分子与常规的水分子网络完全不同，因为它们不再被束缚在网络中，而是获得了更多的自由度。

“新的自由水分子对界面的性质影响非常大，水油界面处有四分之一的水分子表现出异于常规水分子的特性。由此可见，水油界面处的水分子状态已经发生了非常大的改变。”闵玮表示。

（来源：Nature）

水界面特性的深入理解和应用，有望对化学、环境和生物等多个领域产生深远影响。

在化学领域，催化过程通常面临诸多挑战，例如反应条件苛刻、耗时费力且不环保，往往需要使用昂贵且有毒的催化剂，这不仅增加了成本，还带来了后续处理的难题。

然而，化学工业又高度依赖催化剂。如果水的表面能够发挥催化作用，将为化学催化提供一种绿色环保的替代方案。

这意味着，人们可以直接合成目标化学品，并且整个合成过程更加环保高效。这不仅是化学领域的一个重大进步，也为整个工业生产模式提供了全新的思路。

从环境角度来看，过去在研究大气污染和大气化学时，往往忽略了水表面的性质。然而，如果大气中水与空气形成的界面也能发生类似的反应，将为理解大气化学带来新的方向，有助于更全面地认识大气污染的形成机制和化学过程。

在生物领域，细胞膜的化学成分与油相似，也是一种类似脂肪的物质。细胞内的水与细胞膜接触时，界面特性也必须被考虑在内。

目前，人们对细胞内部的理解还存在很多不足，比如细胞内的信号传导，有些现象一直让人困惑，很可能是因为忽略了水在其中的作用。因此，深入研究水界面的特性，对于揭示细胞内部的复杂机制具有重要意义。

尽管目前该团队已经观察到水表面的一些特殊现象，但对其背后的微观原因还不能完全确定。例如，水的表面可能存在一些特定的离子，这可能是导致其表现出特殊性质的原因之一。

在接下来的研究阶段，该课题组将对水的表面特性进行更深入、分层次的研究，以进一步确认其成分和微观机制。

同时，研究人员也在积极探索水的特性在化学、催化、生物和环境等领域的应用，以确认是否能够通过引入这一机理，为悬而未决的相关问题提供新的解决方案，从而推动相关领域的研究和技术发展。

参考资料：

1.Shi, L., LaCour, R.A., Qian, N. et al. Water structure and electric fields at the interface of oil droplets.Nature(2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08702-y

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