水的又一个超能力！

水对地球上几乎所有生命活动都至关重要，因此，科学家们已经非常深入地研究了它的各种性质。然而，它却依然不断地给我们带来惊喜。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队发现，当水被限制在两片原子级平整的晶体表面之间、厚度仅有几纳米的空间中时，它会展现出类似铁电体和超离子液体等材料才具备的奇异电学性质。

这一发现为理解水在与其他材料界面上的行为开辟了新的研究方向，对多个领域都具有深远影响。

从体相水到受限水

在体相状态下，液态水虽然只允许极微弱的电流通过，但能有效地屏蔽离子或分子之间的电相互作用力。这种屏蔽效应通常由介电常数来衡量。在室温下，体相水有着极高的介电常数（约为80），以及对于一种绝缘体而言较高的电导率。

这些电学特性都与体相水中致密的氢键网络相关，正是这种网络决定了水的主要物理和化学性质：能够溶解盐类、稳定生物分子，并促成生命体系所需的复杂化学反应。

然而，自然界中的大部分水，并非是以这种体相液态形式存在的。在生物细胞、土壤、膜以及多孔岩石中，水往往被限制在纳米级的微小空间中——在这种情况下，水分子的排列方式与体相水截然不同。

此前的研究表明，当水被限制在纳米尺度的空间时，比如被夹在两个表面之间，它在垂直于表面的方向上几乎失去对电场的响应能力，垂直方向上的介电常数仅约为2。

不过，在与表面平行的方向上的电学行为，则长期以来不为人知。原因是在狭窄的受限空间中测量局部介电性质是极为困难的。

水在纳米尺度下的平面电性

在新的研究中，研究人员采用扫描介电显微术（SDM），在真正的纳米尺度上，探测了水在平面方向上的电学性质。

研究人员通过在石墨上堆叠的六方氮化硼（hBN）层之间，构建出厚度仅几纳米、宽度达数百纳米的通道。在实验中，研究人员将水注入这些狭窄通道，并利用原子力显微镜（AFM）的超尖锐金属探针来探测水在其中的电学行为。

在纳米尺度通道中探索水的电学行为。（图/R.Wang et. al）

实验结果令研究人员大为震惊！当通道厚度大于约3纳米时，水的行为与体相水几乎相同，其电导率仅有轻微升高，主要是因为通道表面上的电荷对水分子产生了影响。而当厚度减至1–2纳米，相当于仅包含4–5层水分子时，液体发生了剧烈的状态：其平面介电常数猛增至1000以上——与用于高端电子元件的铁电材料相当；与此同时，水的平面内导电率也显著提升了几个数量级，接近被视为下一代电池关键材料的超离子液体。

研究人员形象地将这比喻为水就像拥有了“双重人格”——在一个方向上，它电性依然“死寂”；而从另一个方向看，它又变得异常活跃。

关键的氢键网络

为什么会出现如此戏剧性的变化？研究人员认为，这种转变源于极端受限环境会破坏水的氢键网络。

体相水中的氢键网络在总体上是一个动态而有序的结构，但在分子尺度的狭窄空间内，这个网络会变得无序，这种无序的分子排列会使得水分子的电偶极子更容易与电场对齐，从而产生巨大的极化率。与此同时，氢键网络的破坏也增强了水分子之间的质子（氢离子，H⁺）传递能力，使得水的电导率接近超离子液体。

重新认识“水”

这项惊人的发现颠覆了人们对“受限水”的传统认识。曾因石墨烯研究获得诺贝尔奖的Andre Geim教授，是这项研究的通讯作者之一，他表示：“正如石墨被剥离至单原子层后揭示出全新的物理特性一样，这项研究表明，即便是地球上研究最充分的液体——水，在被压缩到极限时仍能带来新的惊喜。”

这项发现的意义远超基础科学。对纳米尺度下水的电学特性进行深入理解，不仅对物理学和化学研究至关重要，也可能推动先进电池、微流体技术、纳米电子学以及生物系统等多个领域的创新。

可以说，这项研究改变了人们看待水的方式——地球上最普通的物质，其实蕴藏着迄今尚未完全揭示的非凡潜能。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：jingoba / Pixabay