北京大学物理学院江颖、边珂、王恩哥团队与合作者破解纳米受限水的结构难题

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、王恩哥等与香港城市大学曾晓成合作，利用原创的扫描量子传感显微系统，首次发现室温条件下纳米受限水的液–固相变，破解了纳米受限水的结构难题，为纳米受限水诸多反常物性的根源提供了统一的物理图像。相关成果以《室温条件下纳米受限水液-固相变的实验观测》（“Experimental observation of liquid–solid transition of nanoconfined water at ambient temperature”）为题，于2026年1月12日在《自然-材料学》（Nature Materials）在线发表。审稿人高度评价该实验解答了“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”。

纳米受限水指被限制在纳米尺度空间内的水，在受限尺寸减小到几个纳米甚至亚纳米时，其物理、化学性质与宏观状态下的液态水（体相水）有显著差异，例如：超快传输、超低介电常数、超长弛豫时间、铁电行为等。然而，这些反常现象的微观起源长期存在争议，关键原因在于缺乏可表征纳米受限水结构和动力学的实验手段。

“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年所公布的两个科学难题。“纳米受限水的结构研究”涉及这两大难题的核心内容，从而成为一个极具挑战性的前沿课题。为解决此难题，江颖团队在国际上首次将金刚石氮-空位色心（NV）量子传感技术和qPlus型扫描探针显微技术（qPlus-SPM）有机融合，创制出一套独特的扫描量子传感显微系统，突破传统扫描探针手段的灵敏度和分辨率限制，首次在分子水平观测到纳米受限水的液-固相变行为。

图1：实验装置示意图

研究团队在亲水性金刚石表面覆盖了六方氮化硼薄片，构建出受限尺寸可调的二维水结构（图1）。他们利用qPlus-SPM精确测量二维水的受限尺寸，同时借助浅层NV的纳米尺度核磁共振谱探测受限水的结构和动力学。实验结果表明（图2），当受限尺寸小于1.6nm时，水分子扩散被显著抑制，其氢键网络趋于有序化，从而进入一种介于固体与液体之间的新物态，形成“类固体”结构。当受限尺寸进一步减小至1nm以下时，受限水在室温条件下完全转变为晶体相。这些实验结果得到了分子动力学模拟结果的支持。

该研究系统揭示了水在极端受限条件下独特的结构与动力学行为，为纳米受限水诸多反常物性的根源提供了统一的物理图像。此外，这些结果成功解决了纳米流体领域长期存在的关键争议，表明纳米通道中的流体不再是简单的液体流，而可能形成“类固体”的无摩擦输运（即超润滑行为），有望在海水淡化、水收集、纳米过滤、能量捕获等方向引发颠覆性技术变革。

三位审稿人对该工作的科学发现和实验技术进行了高度评价：“这些发现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”“扫描探针技术与NV纳米谱学技术结合的方法尤为创新，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”。

图2：纳米受限水的液–固相变行为

江颖、边珂、王恩哥以及曾晓成是文章的共同通讯作者。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）、北京大学2022级博士生张世辰与香港城市大学博士后江健（现为厦门大学化学化工学院教授）是文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科学技术部、新基石科学基金会、北京市教育委员会和北京市科学技术委员会等经费的支持。