诺奖得主领衔！3张图，发了一篇Nature，水，又有重要发现！

水，是生命之源，也是无数物理、化学与生物过程的“隐形舞台”。然而，当水被挤压到仅几个分子厚的“二维夹缝”中时，它的电学性格一直成谜：垂直于界面的介电响应已被证实几乎“冻结”，而平行于界面的极化与导电能力却迟迟无法被直接测量。缺乏可靠实验手段，令理论预测在“巨大增强”与“完全屏蔽”之间摇摆，也阻碍了纳流控、储能、膜分离等技术的精准设计。

英国曼彻斯特大学L. Fumagalli、诺奖得主A. K. Geim合作团队合作首次用扫描介电显微镜（SDM）将0.1 kHz–1.1 GHz的电场“探针”伸进hBN纳米通道，对1–60 nm厚度范围内的受限水进行“面内”介电常数ε//与电导率σ//的定量成像。结果显示：当水层薄至≈1.5 nm（约4–5分子层）时，ε//骤增至1000±350，达到铁电体量级；同时σ//飙升至3 S m⁻¹，逼近超离子导体，比体相水高出4个数量级。作者将这一跨越归因于强限域诱导的氢键无序，使偶极集体翻转与质子快速交换同时成为可能。相关论文以“In-plane dielectric constant and conductivity of confined water”为题，发表在

Nature

实验的核心在于“让电场平行于界面”。如开篇图1a示意，团队用石墨底电极、hBN间隔层和顶部hBN“天花板”自组装出宽度约200 nm、高度h可调的液池，并在池底垫上一块50–200 nm厚的hBN“垫片”，把AFM探针与电极的垂直距离拉开，从而迫使电力线在水的平面内弯曲。图1b的AFM形貌证实，空池顶部有清晰可见的“下塌”，一旦充水便恢复原子级平整，确保通道被完全填满。图1c、d的介电影像更直观：空池在2 kHz–1.1 GHz始终呈暗色负对比；充水后对比瞬间转正，且随频率升高而逐渐褪色，暗示水层在低频端因高导电而“屏蔽”了电场，高频端则因介电极化再次响应。

图1a) 宽带介电成像示意图。实验装置及器件结构示意图。顶部、底部和间隔层hBN呈浅蓝色，石墨接地电极呈黑色。水从背面入口填充。振荡电压施加于AFM尖端，测量的局部阻抗转换为介电频谱，如插图中示意所示。使用较厚的底部hBN以在水通道内产生面内电场。b) 高度30纳米器件的AFM显微图像，插图为暴露间隔层的轨迹。c) 空通道在特征频率2 kHz、2 MHz和1.1 GHz下的介电图像。d) 充水通道在相同频率下的介电图像。 e) 从c和d中提取的介电剖面（十行平均值），颜色编码。定义见方法部分。

图2a把上述“褪色曲线”定量成介电色散谱。30 nm水层的高频平台对应ε//≈74，与体相水几乎一致；而当h缩至5 nm、1.5 nm，平台高度不降反升，且特征频率从kHz移到MHz，直观说明“越薄越导电、越易极化”。图2b的系列影像进一步验证：同一通道在200 kHz仍亮，到6 MHz才转暗，频率越高、通道越薄，影像“熄灭”所需的频率越高，与图2a的谱线位移一一对应。

图2a)三种代表性高度水的介电频谱示例。颜色编码符号为|dG/dz|曲线的峰值，归一化至低频幅值。误差条表示各频率下的随机噪声水平。实线为数值模拟的最佳拟合，虚线为假设水保持体水性质时的模拟结果。b) 相同三种通道在充水前后的SDM成像示例，显示不同频率下的介电对比度变化。

经过三维有限元模拟抽丝剥茧，图3a给出ε//随h的突变：>4 nm时ε//维持体相水平；一旦进入准二维区（h≲2 nm），介电常数跃升一个量级至1000，呈现铁电式增强。图3b的σ//曲线同样出现“峰”而非单调：3 nm以上σ//随1/h稳步增至0.1 S m⁻¹，可用“表面层+体相层”并联模型解释；但当h≈1.5 nm时，σ//额外蹿升至3 S m⁻¹，随后又在1 nm处回落，形成尖锐峰形。作者指出，这与氢键网络从“部分扰动”走向“全面失序”再到“过度约束”的三阶段演化相符——最无序的4–5层水既易集体翻转偶极，又为Grotthuss质子链提供高速通道，从而同步实现巨介电与超离子行为。

图3a)面内介电常数实验数据。红色符号为频谱中高频平台的平均值，条形表示标准偏差。实线为视觉引导线，虚线为三层电容模型的拟合结果。 图b)纳米约束水面内导电性数据。灰色符号为文献中DC测量结果，显示一致性。

研究在结论中强调，这种“面内巨介电+超离子导电”的二元特性并非hBN专属，而可能普遍存在于所有原子级光滑的限域界面；调控表面化学即可按需定制ε//与σ//的数值。新建立的SDM宽带成像法亦可直接迁移至其他液体与离子体系，为纳米流体、超级电容、蓝能采集等应用提供迄今最精确的界面电学参数。作者同时展望，下一步将把时间分辨与空间分辨结合，实时捕捉氢键翻转与质子转移的协同动力学，让“二维水”真正走出实验室，走进器件。

来源：高分子科学前沿

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