水在納米尺度的“樣子”被首次觀測

來源：光明日報

記者：晉浩天

水，這種我們看似再熟悉不過的物質，在微觀世界深處正展現出令人驚異的全新面貌。北京大學物理學院量子材料科學中心、北京懷柔輕元素量子材料交叉平臺江穎、邊珂、王恩哥等科學家與香港城市大學曾曉成合作，利用一項原創的尖端顯微技術，首次在室溫條件下直接觀測到水在納米尺度受限空間的液—固相變，這一突破性發現為理解諸多反常水行為提供了關鍵證據，有望在未來催生從海水淡化到能源捕獲的顛覆性技術。相關成果日前于國際學術期刊《自然·材料學》在線發表。

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“水被限制在幾納米甚至更小空間時，其物理、化學性質與液態水有顯著差異，如超快傳輸、超低介電常數，甚至表現出類似鐵電材料的特性等。”江穎表示，然而，這些反常現象的微觀起源長期存在爭議，核心瓶頸在于缺乏能夠“穿透表面看界面”、在納米尺度空腔內直接窺視水分子結構的“眼睛”。

“水的結構是什么”與“如何從微觀層面測量界面現象”分別是《科學》雜志于2005年和2021年公布的兩個科學難題，而其交匯點正是“納米受限水的結構研究”，這是一個極具挑戰性的前沿堡壘。為此，江穎團隊經過多年的努力，創造性地將高端掃描探針技術與量子傳感技術融為一體，打造出一套獨一無二的掃描量子傳感顯微系統。這項技術如同為科學家裝上了“原子尺度的磁共振成像儀”，其靈敏與精準程度遠超傳統手段，終于讓直接觀測埋藏在界面處的、納米空腔內水的結構和相變行為成為可能。

團隊在實驗中揭示了一幅清晰的物理圖景：當受限水的空間尺寸縮小到1.6納米以下，其中水分子的擴散運動便顯著放緩，水進入一種既非典型液體也非典型固體的新奇“類固體”狀態；而當空間被進一步壓縮至1納米以下時，奇跡在室溫下發生了——受限水完全“凍結”，形成了晶體結構。“這一系列實驗觀測，也得到了分子動力學模擬的有力佐證。”江穎說，這一發現不僅僅是對一種特殊狀態下水的刻畫，更提供了一個統一的物理框架，用以解釋納米受限水那些令人費解的反常性質。

期刊審稿人一致認為該工作“有力解答了關于水在納米受限條件下行為的一個長期懸而未決的開放性問題”“該實驗解答了許多關于水在納米尺度行為的根本性問題，無疑具有重要的科學價值，并聚焦于一個跨學科基礎研究和應用所關注的核心課題”，并稱其實驗方法“尤為創新”。

江穎介紹，這項研究也澄清了納米流體學領域的一個關鍵爭議：在納米尺度的通道中，流體可能不再呈現簡單的液體流動行為，而是以“類固體”形式進行近乎無摩擦的“超潤滑”輸運。這一深刻理解，為設計下一代高效能技術鋪平了道路，未來在海水淡化、空氣取水、納米過濾、新型能量收集系統等領域，都有可能引發顛覆性技術變革。