《顶刊精读》|Nature：压水的面内介电常数和电导率

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研究背景

理解水在纳米尺度受限空间（如细胞膜、纳米通道）中的电学性质，是揭示众多物理、化学和生物过程机制的关键。然而，由于实验技术的限制，此前研究主要集中在垂直方向的电学响应，发现其介电常数被强烈抑制；而对于面内方向的介电常数和电导率，长期以来缺乏有效的测量手段，其性质一直是未知数。本研究通过创新性地改进扫描介电显微镜 技术，首次实现了对原子级平坦表面间（间距低至1纳米）受限水层面内电学性质的直接探测。与以往仅能测量单一方向或依赖宏观平均的方法不同，这项工作通过引入面内电场和GHz级宽带测量，结合全三维数值模拟，揭示了受限水从“体相类似”到“准二维反常”的相变行为。研究发现，当水被限制在仅几个分子层厚度时，其面内介电常数可达约1000，呈现类铁电体特性，同时电导率提升至约3 S·m⁻¹，接近超离子液体水平。这项工作不仅解决了长期存在的实验难题，更重要的是发现了一种受限水的新奇电学态，对理解界面水在生命科学、纳米流体和能源技术中的作用具有里程碑意义。相关工作以“In-plane dielectric constant and conductivity of confined water”为题发表在Nature期刊。

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研究内容

本文利用扫描介电显微镜（SDM）研究了水在 hexagonal boron nitride (hBN) 纳米通道中的面内介电常数（ε∥）和电导率（σ∥）。研究的核心在于系统性地改变纳米通道的高度（h，从1 nm到60 nm），以探究限制强度对水电学性质的定量影响。

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研究数据

图1（a-e） 展示了本研究的核心技术——改进的SDM实验装置与原理。通过在水层下方引入较厚的hBN绝缘层，成功地在纳米通道内产生了面内电场分量（E∥），这是测量面内响应的关键。介电成像图清晰显示，水填充通道后与空通道及hBN间隔层形成鲜明对比，证明了该方法对纳米尺度水层的敏感性。

图2（a, b） 呈现了不同通道高度下水的介电频谱。随着限制增强（h减小），频谱表现出两个关键趋势：1）介电弛豫向高频移动，表明σ∥显著增强；2）高频平台的信号强度并未如体相水模型预测那样衰减，反而保持高位，这定性地揭示了ε∥在强限制下的反常增大。

图3（a, b） 给出了从频谱中定量提取的ε∥和σ∥随水层厚度h的变化关系，这是本研究的核心结论。数据显示存在两个截然不同的区域：

适度限制（h > 4 nm）：水的ε∥ ≈ 74，与体相水（~80）相近；σ∥随h减小而逐渐升高，最高可达~0.1 S·m⁻¹，这可由表面电荷诱导的质子电导率增强（三层模型）解释。

极限/准二维限制（h = 1-2 nm）：水的电学性质发生突变。ε∥急剧增大一个数量级，达到1030 ± 350的类铁电体数值；σ∥出现一个尖锐的峰值，在h ≈ 1.5 nm时达到~3 S·m⁻¹，接近超离子液体水平，行为明显偏离表面效应主导的三层模型。

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研究结论

这项研究首次通过实验揭示了水在原子级限制下表现出的类铁电体介电常数与超离子体电导率，突破了人们对纳米水层电学性质的传统认知。研究突破了单一方向测量或宏观平均的局限，建立了“限制尺度-氢键序-面内电学响应”的构效关系框架，为在分子尺度上理解界面水的行为提供了关键的实验基石和新的理论视角。这一发现对电双层理论、生物膜离子传输、纳米限域催化及下一代纳米流体器件的设计具有深远影响。未来研究可进一步探索不同表面化学性质、温度以及更复杂离子溶液对受限水面内电学行为的影响，以推动该基础科学发现走向实际应用。

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https://doi.org/10.1038/s41586-025-09558-y

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