北京大學團隊破解受限水結構世紀難題，為顛覆性納米流體技術奠定物理基石。

導讀

納米受限水，即被約束在納米尺度空間內的水，在生命活動、地質演化乃至眾多高新技術（如海水淡化、納米過濾、燃料電池）中扮演著核心角色。因其表現出迥異于宏觀塊體水的奇異物理特性，數十年來一直是物理學、材料學、生物學等交叉領域的前沿研究內容與爭議焦點。其反常性質的根源——微觀結構究竟如何，該問題一直懸而未決。

近日，北京大學物理學院江穎教授、邊珂研究員、王恩哥院士領導的研究團隊，依托北京懷柔科學城“輕元素量子材料交叉平臺”，取得了突破性進展。團隊利用自主研發、全球領先的掃描量子傳感顯微系統，首次在室溫下直接觀測到二維納米通道中受限水發生的、可逆的液—固相變，破解了長期存在的結構謎題。該研究澄清了“水是連續液體還是瞬間冰”的關鍵爭議，首次為納米受限水的諸多反常物性提供了統一、自洽的物理圖像。

研究表明，在極端受限條件下，水分子可自發組裝成層狀、有序的“類固體”結構，能夠實現近乎無摩擦的超流輸運。這一顛覆性的發現不僅解決了基礎科學領域的核心爭論，更為設計和開發下一代高效海水淡化、智能水收集、精密納米過濾與新型能量捕獲器件提供了前所未有的理論指導和創新思路。

Part 1

微觀水滴里的“羅生門”

水，是地球上最尋常又最神奇的物質。然而，當水被限制在僅有一兩個水分子直徑（1-2 納米）的狹小空間內時，它會展現出令人匪夷所思的行為：其粘滯性、介電常數、導熱性等基本物理性質會發生劇烈改變，甚至出現“無摩擦流動”或“冰點不降反升”等反常現象。這些“納米受限水”廣泛存在于生物細胞的離子通道、礦物頁巖的縫隙、人工納米多孔材料以及眾多微納器件的界面中，深刻影響著跨膜傳輸、頁巖氣開采、膜法水處理與芯片散熱的效率。

然而，一個根本性的科學難題橫亙了近半個世紀：在這些肉眼不可見的納米牢籠中，水分子究竟以何種結構存在？是仍保持無序、可流動的液態，還是已“結冰”形成某種有序的固態？由于缺乏在原子尺度、真實空間下對受限水結構進行直接成像的技術手段，不同的間接實驗和理論計算給出了相互矛盾的結論，形成了“連續液體模型”與“類冰瞬時結構模型”兩大陣營的長期對峙。這個微觀世界的“羅生門”，成為理解并最終駕馭納米受限水奇特性質的最大障礙。

Part 2

技術突破：

用“原子級探針”傾聽水的“心跳

要破解這一謎題，需要一把能在室溫、溶液環境下，以無與倫比的靈敏度“看清”單個水分子及其氫鍵網絡的“超級放大鏡”。北京大學江穎團隊歷經十余年攻關，自主研發了國際上獨一無二的“掃描量子傳感顯微系統”，這被譽為探測極限的“顯微鏡”。它的核心奧秘在于將單個分子尺度的缺陷（如金剛石中的氮 — 空位色心）精妙地集成在原子力顯微鏡探針的最尖端。

這個“量子傳感器”對外界極微弱的力、電、磁信號異常敏感。當它在納米通道表面掃描時，就像最精密的“盲文閱讀器”，能夠通過感知水分子與探針之間極其微弱的相互作用力，反推出每個水分子的精確位置和排列方式，并重構出完整的氫鍵網絡。更重要的是，該系統可在室溫、液體環境下穩定工作，真正實現了對“活”的納米流體的原位、實空間成像。這項“大國重器”級別的原創技術，是本次突破得以實現的首要前提，也彰顯了我國在高端科學儀器自主研發上的卓越能力。

Part 3

發現之旅：

從“液態”到“類固態”的清晰相變

利用這把“神兵利器”，研究團隊對典型的二維納米通道（以石墨烯與云母基底構成的狹縫為例）中的水進行了系統研究。實驗獲得了前所未有的清晰圖像，直接“看到”了水分子在受限空間中的結構演化。

當通道高度大于兩個水分子的直徑時，水呈現出無序的、液態的結構，分子排列松散且動態變化。然而，當通道被壓縮至約 1 納米（約三個水分子的厚度）的極限尺度時，奇跡發生了：原本混亂的水分子，自發地、整齊地排列成了雙層、高度有序的“類冰”晶體結構。這種結構既不同于常見的六角冰，也不同于塊體水的液態結構，是一種在納米受限下特有的、穩定的新物相。

更重要的是，研究團隊通過精確調控通道高度，首次在室溫下觀測到了這一液— 固相變是可逆的。稍微增大間距，有序結構熔化回無序液態；再次壓縮，又迅速結晶。這一發現直接證明，納米受限水在特定條件下存在著明確的一級相變，其結構并非模糊的中間態，而是在兩種明確狀態間切換。這為統一解釋其物性突變（如黏度劇增、介電常數驟降）提供了最直觀的結構證據：這些反常性質，正是源于水分子從自由流動的“液體”轉變為有序排列的“類固體”。

Part 4

顛覆性物理圖像與無摩擦輸運前景

這一發現顛覆了傳統認知，建立起一個全新的物理圖像：在極端納米限域下，流體不再是簡單的、連續的黏性液體，而是可以轉變為一種層狀的、有序的“類固體”相。該相中，水分子層在通道內通過晶格匹配與基底表面鎖定，層與層之間則可能通過光滑的平面相對滑動。

這為長期困擾學界的、關于納米通道內“超流”或“無摩擦輸運”的報道提供了最直接、最有力的微觀機制解釋：當水以這種有序相存在時，其層間摩擦可降至極低，從而實現近乎無耗散的快速流動。這好比將原本散亂的沙粒（液態水）壓制成光滑的冰磚（類固態水），推動后者所需的力氣要小得多。該機制預示著，通過精確設計納米通道的尺寸和表面性質，我們可以主動“編程”流體的相態，從而按需獲得超高滲透流或選擇性阻隔等截然不同的輸運特性，為按需設計智能流體器件奠定了基礎。

Part 5

產業關聯與應用展望：

一場即將到來的技術革命

這一基礎研究的突破，其應用潛力是深遠且顛覆性的，有望在多個關鍵領域引發技術范式變革：

海水淡化與高效水處理：當前反滲透膜的核心瓶頸在于滲透性與選擇性的權衡。該研究指出，通過將膜通道尺寸精確控制在誘發“類固態”相變的臨界點附近，可能同時實現極高的水通量（源于低摩擦流動）和近乎完美的鹽離子截留率（源于有序相致密的氫鍵網絡對離子的排阻）。這為設計下一代超高效率、低能耗的淡化膜提供了全新的物理原理和明確的優化方向。

智能水收集與空氣取水：基于納米多孔材料的空氣取水技術，其效率受限于水在納米孔道內的凝結與傳輸。理解并利用受限水的相變行為，可以指導設計新型材料，使水蒸氣在孔道內更高效地凝結并快速以“類固態”相抽出，從而在干旱地區從空氣中獲得飲用水，效能有望獲得數量級提升。

精密納米過濾與分子篩分：在生物制藥、化工分離領域，需要對尺寸、性質極其接近的分子進行精確篩分。有序的受限水相本身可以作為一道動態的、精確的“水柵欄”，其規則的孔道能實現基于分子尺寸和極性的極致篩分。這為開發單分子級別精度的分離膜和色譜填料開辟了新途徑。

新一代能源與催化：在質子交換膜燃料電池中，質子（水合氫離子）在納米通道內的傳導至關重要。有序的受限水結構可能提供比液態水更高效的質子傳導路徑。同樣，在電催化、

電池電解液中，固—液界面處的受限水結構決定了反應活性和穩定性。新發現為從原子層面調控這些界面，設計高性能電化學器件提供了關鍵知識。

生物傳感與納米醫藥：生命體內幾乎所有的水都是受限水。理解離子通道、蛋白質內部等生物納米腔內的水結構及其相變，對于闡明藥物輸運、信號傳導乃至神經活動的物理本質具有革命性意義，可能催生全新的疾病診斷和治療方法。

Part 6

總結與展望：

北京大學江穎、邊珂、王恩哥團隊的工作，借助原創的掃描量子傳感顯微技術，首次在原子尺度上“看見”了室溫下納米受限水的液— 固相變，為這場持續數十年的科學爭議畫上了句號。這項研究不僅解答了一個基礎科學的核心難題，更重要的是，它建立了一個全新的理論框架，將納米受限水的奇異宏觀性質與其明確的微觀結構直接關聯起來。

展望未來，這一發現如同為納米流體學科繪制了一幅精確的“地圖”。科學家和工程師可以據此主動設計材料的表面化學和納米結構，從而“定制”所需的水相態和輸運性能。從更高效的海水淡化膜，到更智能的水收集系統，再到更精密的生物傳感器，一場基于“水結構編程”的技術革命正在拉開序幕。這項源于懷柔科學城交叉平臺的原創性突破，再次證明了在重大科學儀器支撐下，從“0 到 1”的基礎研究如何為未來的顛覆性技術埋下最關鍵的種子。

科研團隊信息

本研究由北京大學物理學院量子材料科學中心江穎教授、邊珂研究員、王恩哥院士主導，并與合作者共同完成。相關研究工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。本研究的核心實驗與表征工作，主要依托位于北京懷柔科學城的“輕元素量子材料交叉平臺”完成。 該平臺作為服務國家戰略科技力量的世界級科研設施，為此次突破所需的極端精密測量與原位表征提供了不可替代的關鍵支撐，是基礎研究與應用探索深度融合的典范。

來源：懷柔科學城城市客廳新媒體中心

編輯：柯欣

審核：王汝霖

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