我國(guó)科學(xué)家首次觀測(cè)到水在納米尺度的“樣子”

IT之家 1 月 24 日消息，“北大物理人”微信公眾號(hào)于 1 月 13 日發(fā)布博文，報(bào)道稱(chēng)我國(guó)科學(xué)家利用自主研發(fā)的掃描量子傳感顯微系統(tǒng)，首次在室溫條件下直接觀測(cè)到水在納米尺度受限空間的液 — 固相變。

這項(xiàng)研究成果由北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、北京懷柔輕元素量子材料交叉平臺(tái)江穎、邊珂、王恩哥等與香港城市大學(xué)曾曉成合作完成，相關(guān)成果以“室溫條件下納米受限水液-固相變的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)”（Experimental observation of liquid–solid transition of nanoconfined water at ambient temperature）為題，于 2026 年 1 月 12 日在《自然-材料學(xué)》（Nature Materials）在線(xiàn)發(fā)表。

模式機(jī)理圖（圖片源自 Nature Materials）

IT之家注：納米受限水（Nanoconfined Water）是指被“關(guān)”在極小空間（通常是納米級(jí)別，即十億分之一米）里的水。在這種極度狹窄的環(huán)境下，水分子沒(méi)法像在杯子里那樣自由亂跑，其行事風(fēng)格（物理性質(zhì)）會(huì)變得非常古怪，比如結(jié)冰溫度改變、流速變快等。

然而，科學(xué)界長(zhǎng)期缺乏能夠“穿透表面看界面”的觀測(cè)手段，導(dǎo)致這些現(xiàn)象的微觀起源一直存在爭(zhēng)議。針對(duì)這一痛點(diǎn)，江穎團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年探索，創(chuàng)造性地將高端掃描探針技術(shù)與量子傳感技術(shù)融合，研發(fā)出一套獨(dú)一無(wú)二的“掃描量子傳感顯微系統(tǒng)”。

這項(xiàng)技術(shù)如同為科學(xué)家裝上了一臺(tái)“原子尺度的磁共振成像儀”，其超高的靈敏度終于讓直接窺探納米空腔內(nèi)水分子的結(jié)構(gòu)與相變成為可能。

團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中描繪了一幅清晰的物理圖景：當(dāng)受限水的空間尺寸縮小至 1.6 納米以下時(shí)，水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)顯著放緩，進(jìn)入一種既非典型液體也非典型固體的“類(lèi)固體”狀態(tài)。

納米受限水的液–固相變行為

更令人驚嘆的是，當(dāng)空間進(jìn)一步被壓縮至 1 納米以下時(shí)，水在室溫下竟然完全“凍結(jié)”，形成了整齊的晶體結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了分子動(dòng)力學(xué)的模擬結(jié)果，也完美解釋了納米通道中流體為何能以“類(lèi)固體”形式進(jìn)行近乎無(wú)摩擦的“超潤(rùn)滑”輸運(yùn)。

參考