科学家首次捕捉到水在纳米尺度下的真实..
水，这种日常生活中再普通不过的物质，在被限制于几纳米甚至更小的空间时，竟展现出令人震惊的新奇行为。近日，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、王恩哥等科学家联合香港城市大学曾晓成教授团队，利用自主研发的尖端显微技术，首次在室温条件下直接观测到水在纳米尺度受限空间中的液–固相变过程。这一重大成果已于2026年1月12日在国际顶级期刊《自然·材料学》（Nature Materials）在线发表。
长期以来，“水的结构是什么”与“如何从微观层面测量界面现象”分别被《科学》杂志列为2005年和2021年的重大科学难题。而“纳米受限水的结构研究”正是这两大难题的交汇点，被视为极具挑战性的前沿堡垒。由于缺乏能够“穿透表面看界面”的高灵敏探测手段，科学界对纳米尺度下水的真实结构和动力学行为始终知之甚少。
为攻克这一瓶颈，江颖团队创造性地将金刚石氮-空位色心（NV）有机融合，成功研制出一套扫描量子传感显微系统。该系统如同一台“原子尺度的磁共振成像仪”，具备前所未有的空间分辨率与探测灵敏度，使科学家首次得以“看见”隐藏在界面深处、被限制在纳米空腔内的水分子排布与相变行为。
实验中，研究团队在亲水性金刚石表面覆盖六方氮化硼薄片，构建出尺寸可调的二维纳米水腔。他们发现：
当受限空间缩小至1.6纳米以下时，水分子扩散显著减缓，氢键网络趋于有序，进入一种介于液体与固体之间的“类固体”状态；
当空间进一步压缩至1纳米以下，水竟在室温下完全结晶，形成稳定的晶体结构。
这一系列观测结果不仅得到了分子动力学模拟的有力支持，更提供了一个统一的物理框架，用以解释纳米受限水表现出的超快传输、超低介电常数、铁电性等反常物性。同时，该研究也澄清了纳米流体学领域长期存在的争议：在极窄通道中，水可能并非以传统液体形式流动，而是以“类固体”状态实现近乎无摩擦的“超润滑输运”。
审稿专家高度评价该工作：“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”，并称其实验方法“尤为创新”，“将对纳米流体学、量子传感和材料科学等多个领域产生实质性影响”。
江颖教授表示，这项基础研究不仅深化了人类对水这一基本物质的理解，更有望催生一系列颠覆性应用技术，包括高效海水淡化、大气取水、纳米过滤膜设计以及新型能量捕获系统等，为解决全球水资源与能源挑战提供全新路径。
本研究由北京大学博士后郑闻天（现为美国莱斯大学Smalley-Curl博士后研究员）、2022级博士生张世辰与香港城市大学博士后江健（现为厦门大学教授）共同完成第一作者工作。项目获得国家自然科学基金委、科技部、新基石科学基金会及北京市相关部门的大力支持。
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