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(zhì)，在微觀世界深處正展現(xiàn)出令人驚異的全新面貌。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江穎、邊珂、王恩哥等科學(xué)家與香港城市大學(xué)曾曉成合作，利用一項原創(chuàng)的尖端顯微技術(shù)，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(fā)現(xiàn)為理解諸多反常水行為提供了關(guān)鍵證據(jù)，有望在未來催生從海水淡化到能源捕獲的顛覆性技術(shù)。相關(guān)成果日前于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料學(xué)》在線發(fā)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(xué)性質(zhì)與液態(tài)水有顯著差異，如超快傳輸、超低介電常數(shù)，甚至表現(xiàn)出類似鐵電材料的特性等。”江穎表示，然而，這些反常現(xiàn)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(nèi)直接窺視水分子結(jié)構(gòu)的“眼睛”。

“水的結(jié)構(gòu)是什么”與“如何從微觀層面測量界面現(xiàn)象”分別是《科學(xué)》雜志于2005年和2021年公布的兩個科學(xué)難題，而其交匯點正是“納米受限水的結(jié)構(gòu)研究”，這是一個極具挑戰(zhàn)性的前沿堡壘。為此，江穎團隊經(jīng)過多年的努力，創(chuàng)造性地將高端掃描探針技術(shù)與量子傳感技術(shù)融為一體，打造出一套獨一無二的掃描量子傳感顯微系統(tǒng)。這項技術(shù)如同為科學(xué)家裝上了“原子尺度的磁共振成像儀”，其靈敏與精準(zhǔn)程度遠超傳統(tǒng)手段，終于讓直接觀測埋藏在界面處的、納米空腔內(nèi)水的結(jié)構(gòu)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(dāng)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(tài)；而當(dāng)空間被進一步壓縮至1納米以下時，奇跡在室溫下發(fā)生了——受限水完全“凍結(jié)”，形成了晶體結(jié)構(gòu)。“這一系列實驗觀測，也得到了分子動力學(xué)模擬的有力佐證。”江穎說，這一發(fā)現(xiàn)不僅僅是對一種特殊狀態(tài)下水的刻畫，更提供了一個統(tǒng)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(zhì)。

期刊審稿人一致認為該工作“有力解答了關(guān)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(guān)于水在納米尺度行為的根本性問題，無疑具有重要的科學(xué)價值，并聚焦于一個跨學(xué)科基礎(chǔ)研究和應(yīng)用所關(guān)注的核心課題”，并稱其實驗方法“尤為創(chuàng)新”。

江穎介紹，這項研究也澄清了納米流體學(xué)領(lǐng)域的一個關(guān)鍵爭議：在納米尺度的通道中，流體可能不再呈現(xiàn)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(shè)計下一代高效能技術(shù)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(tǒng)等領(lǐng)域，都有可能引發(fā)顛覆性技術(shù)變革。