水的又一個超能力！

水對地球上幾乎所有生命活動都至關重要，因此，科學家們已經非常深入地研究了它的各種性質。然而，它卻依然不斷地給我們帶來驚喜。

在一項新發表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊發現，當水被限制在兩片原子級平整的晶體表面之間、厚度僅有幾納米的空間中時，它會展現出類似鐵電體和超離子液體等材料才具備的奇異電學性質。

這一發現為理解水在與其他材料界面上的行為開辟了新的研究方向，對多個領域都具有深遠影響。

從體相水到受限水

在體相狀態下，液態水雖然只允許極微弱的電流通過，但能有效地屏蔽離子或分子之間的電相互作用力。這種屏蔽效應通常由介電常數來衡量。在室溫下，體相水有著極高的介電常數（約為80），以及對于一種絕緣體而言較高的電導率。

這些電學特性都與體相水中致密的氫鍵網絡相關，正是這種網絡決定了水的主要物理和化學性質：能夠溶解鹽類、穩定生物分子，并促成生命體系所需的復雜化學反應。

然而，自然界中的大部分水，并非是以這種體相液態形式存在的。在生物細胞、土壤、膜以及多孔巖石中，水往往被限制在納米級的微小空間中——在這種情況下，水分子的排列方式與體相水截然不同。

此前的研究表明，當水被限制在納米尺度的空間時，比如被夾在兩個表面之間，它在垂直于表面的方向上幾乎失去對電場的響應能力，垂直方向上的介電常數僅約為2。

不過，在與表面平行的方向上的電學行為，則長期以來不為人知。原因是在狹窄的受限空間中測量局部介電性質是極為困難的。

水在納米尺度下的平面電性

在新的研究中，研究人員采用掃描介電顯微術（SDM），在真正的納米尺度上，探測了水在平面方向上的電學性質。

研究人員通過在石墨上堆疊的六方氮化硼（hBN）層之間，構建出厚度僅幾納米、寬度達數百納米的通道。在實驗中，研究人員將水注入這些狹窄通道，并利用原子力顯微鏡（AFM）的超尖銳金屬探針來探測水在其中的電學行為。

在納米尺度通道中探索水的電學行為。（圖/R.Wang et. al）

實驗結果令研究人員大為震驚！當通道厚度大于約3納米時，水的行為與體相水幾乎相同，其電導率僅有輕微升高，主要是因為通道表面上的電荷對水分子產生了影響。而當厚度減至1–2納米，相當于僅包含4–5層水分子時，液體發生了劇烈的狀態：其平面介電常數猛增至1000以上——與用于高端電子元件的鐵電材料相當；與此同時，水的平面內導電率也顯著提升了幾個數量級，接近被視為下一代電池關鍵材料的超離子液體。

研究人員形象地將這比喻為水就像擁有了“雙重人格”——在一個方向上，它電性依然“死寂”；而從另一個方向看，它又變得異常活躍。

關鍵的氫鍵網絡

為什么會出現如此戲劇性的變化？研究人員認為，這種轉變源于極端受限環境會破壞水的氫鍵網絡。

體相水中的氫鍵網絡在總體上是一個動態而有序的結構，但在分子尺度的狹窄空間內，這個網絡會變得無序，這種無序的分子排列會使得水分子的電偶極子更容易與電場對齊，從而產生巨大的極化率。與此同時，氫鍵網絡的破壞也增強了水分子之間的質子（氫離子，H?）傳遞能力，使得水的電導率接近超離子液體。

重新認識“水”

這項驚人的發現顛覆了人們對“受限水”的傳統認識。曾因石墨烯研究獲得諾貝爾獎的Andre Geim教授，是這項研究的通訊作者之一，他表示：“正如石墨被剝離至單原子層后揭示出全新的物理特性一樣，這項研究表明，即便是地球上研究最充分的液體——水，在被壓縮到極限時仍能帶來新的驚喜。”

這項發現的意義遠超基礎科學。對納米尺度下水的電學特性進行深入理解，不僅對物理學和化學研究至關重要，也可能推動先進電池、微流體技術、納米電子學以及生物系統等多個領域的創新。

可以說，這項研究改變了人們看待水的方式——地球上最普通的物質，其實蘊藏著迄今尚未完全揭示的非凡潛能。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：jingoba / Pixabay