水在纳米尺度的“样子”被首次观测

来源：光明日报

本报北京1月22日电（记者晋浩天）

水，这种我们看似再熟悉不过的物质，在微观世界深处正展现出令人惊异的全新面貌。北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔轻元素量子材料交叉平台江颖、边珂、王恩哥等科学家与香港城市大学曾晓成合作，利用一项原创的尖端显微技术，首次在室温条件下直接观测到水在纳米尺度受限空间的液—固相变，这一突破性发现为理解诸多反常水行为提供了关键证据，有望在未来催生从海水淡化到能源捕获的颠覆性技术。相关成果日前于国际学术期刊《自然·材料学》在线发表。

“水被限制在几纳米甚至更小空间时，其物理、化学性质与液态水有显著差异，如超快传输、超低介电常数，甚至表现出类似铁电材料的特性等。”江颖表示，然而，这些反常现象的微观起源长期存在争议，核心瓶颈在于缺乏能够“穿透表面看界面”、在纳米尺度空腔内直接窥视水分子结构的“眼睛”。

“水的结构是什么”与“如何从微观层面测量界面现象”分别是《科学》杂志于2005年和2021年公布的两个科学难题，而其交汇点正是“纳米受限水的结构研究”，这是一个极具挑战性的前沿堡垒。为此，江颖团队经过多年的努力，创造性地将高端扫描探针技术与量子传感技术融为一体，打造出一套独一无二的扫描量子传感显微系统。这项技术如同为科学家装上了“原子尺度的磁共振成像仪”，其灵敏与精准程度远超传统手段，终于让直接观测埋藏在界面处的、纳米空腔内水的结构和相变行为成为可能。

团队在实验中揭示了一幅清晰的物理图景：当受限水的空间尺寸缩小到1.6纳米以下，其中水分子的扩散运动便显著放缓，水进入一种既非典型液体也非典型固体的新奇“类固体”状态；而当空间被进一步压缩至1纳米以下时，奇迹在室温下发生了——受限水完全“冻结”，形成了晶体结构。“这一系列实验观测，也得到了分子动力学模拟的有力佐证。”江颖说，这一发现不仅仅是对一种特殊状态下水的刻画，更提供了一个统一的物理框架，用以解释纳米受限水那些令人费解的反常性质。

期刊审稿人一致认为该工作“有力解答了关于水在纳米受限条件下行为的一个长期悬而未决的开放性问题”“该实验解答了许多关于水在纳米尺度行为的根本性问题，无疑具有重要的科学价值，并聚焦于一个跨学科基础研究和应用所关注的核心课题”，并称其实验方法“尤为创新”。

江颖介绍，这项研究也澄清了纳米流体学领域的一个关键争议：在纳米尺度的通道中，流体可能不再呈现简单的液体流动行为，而是以“类固体”形式进行几乎无摩擦的“超润滑”输运。这一深刻理解，为设计下一代高效能技术铺平了道路，未来在海水淡化、空气取水、纳米过滤、新型能量收集系统等领域，都有可能引发颠覆性技术变革。