曼彻斯特大学的研究人员发现了一个意想不到的关于地球上最常见物质——水的发现。当水被限制在只有几原子厚的空间时，它会变得截然不同，展现出通常与高级材料（如铁电材料和超离子液体）相关的特性。该发现被收录在2025年10月15日的自然杂志《Extreme confinement unleashes water’s hidden electrical capabilities》。
这一令人惊讶的发现也与科学家之前对强烈限制的水的理解相矛盾。早期的研究表明，当水被限制时，它失去了响应电场的能力，在垂直于表面的方向上变得“电死”。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家与德克萨斯大学奥斯汀分校的合作研究人员通过模拟手段，研究了受限水对外加电场的一级响应。该研究发表在《美国物理化学快报》（The Journal of Physical Chemistry Letters）封面上。而自然杂志收录的这项新研究揭示了完全相反的现象——在平行方向上，水的电响应大幅上升，增幅达到一个数量级。
这项研究由劳拉·福马伽利博士领导，并与安德烈·海姆教授合作，使用了一种名为扫描介电显微镜的先进技术，深入探索水在纳米尺度下的电学特性。他们将水困在狭窄的通道中，这些通道的宽度仅容纳一小层分子。
结果令人震惊：大体积水的介电常数约为80，但当水被压缩到仅1-2纳米厚时，它的面内介电常数达到了接近1000的值——与用于先进电子设备的铁电材料相当。与此同时，水的电导率增加，接近超离子液体的值，后者被认为是下一代电池的有前景材料。
“可以把它想象成水有双重人格，”福马伽利博士解释道。“在一个方向上，它是电死的，但从侧面看，它突然变得电性超级活跃。没有人预料到如此戏剧性的行为。”
这项发现要求研究团队开发出超敏感的测量技术，能够探测比病毒皮肤还要薄的水层，并追踪它们在从千赫兹到吉赫兹的频率范围内的电响应——跨越了六个数量级。
研究还揭示了在纳米尺度下，受限水存在两种截然不同的电学状态。对于大于几个纳米的通道，水的表现类似于其大体积状态，尽管其电导率要高得多。但一旦被压缩到原子尺度，它会发生急剧的转变，进入一种新的“超离子样”状态。
这种转变发生是因为极度的限制打破了水的氢键网络，而在大体积水中，这个网络是一个动态的、但相对有序的结构。而在分子尺度下，这个网络变得无序，使得偶极子更容易与电场对齐，从而实现快速的质子传输。
“就像石墨烯在被剥离到单原子层时展现了意想不到的物理性质，这项研究表明，即使是水——地球上研究得最多的液体——在被压缩到最薄时，也能给我们带来惊喜。”曾因石墨烯研究获得诺贝尔奖的海姆教授指出。
这一发现的意义远超基础科学。了解水在纳米尺度下的电学特性不仅对物理学和化学至关重要，而且对从先进电池和微流控技术到纳米电子学和生物学等领域的技术也有着深远的影响。
“我们的研究改变了我们对水的思考方式，”福马伽利博士补充道。“地球上最普通的物质拥有着隐藏的非凡才能，直到现在才被揭示出来。”
