【科研】二维材料器件及界面水-介电性质

张明 2025-10-16

引子：体相水室温表现出了极高的介电常数（ε_bulk ≈ 80）和相对较高的电导率（σ_bulk ≈ 10^−5 S/m）。这两个特性本质上与水分子形成氢键的能力相关，是水的主要性质的关键原因之一。其中之一是水能够溶解比其他液体更多的物质，这源于水高介电常数对溶质库仑相互作用的有效屏蔽。强介电屏蔽对生命的生化过程也至关重要，例如蛋白质折叠与组装、蛋白质与核酸的相互作用以及跨膜离子运输。多种水相关现象（包括溶剂化）发生在固体界面，在这些界面处，液态水呈现出不同于体相水的分层结构。在这些水层中，氢键网络明显改变，不再遵循冰规则。

水，必不可少的，并且已经进行了非常详细的研究。然而，对界面水和纳米孔内的强限域水 strongly confined water 的电学性质，却知之甚少，其中结构偏离了体相水的结构，变得明显分层结构。结构变化预计会影响水的电导率，特别是水的极化率，进而改变在许多物理和化学过程中起关键作用的分子间力。

近日，英国曼彻斯特大学 R. Wang, M. Souilamas，A. K. Geim和L. Fumagalli等在Nature上发文，利用扫描介电显微镜scanning dielectric microscopy (SDM)，探测了限制在原子级平坦表面之间界面水的平面内电学性质，所述原子级平坦表面之间距离低至1nm。

对于超过几个纳米的限域，界面水表现出了接近于体相水的面内介电常数，并且界面水的质子传导率显著增强，随着水厚度的减小而逐渐增加。当纳米限域水变得只有几个分子厚时，这种趋势就会突然改变。面内介电常数达到约1,000的大的类铁电值，而电导率在几个Sm-1处达到峰值，接近超离子液体的特性值。将这种增强归因于由少数层限域引起了强烈无序的氢键，这促进了分子偶极子更容易的平面内极化和更快的质子交换。

这种有助于理解纳米限域水的电学性质，对于理解发生在水界面和纳米尺度孔隙中的许多现象非常重要。

In-plane dielectric constant and conductivity of confined water.

限域水的面内介电常数和电导率

图1:纳米限域水的宽带介电成像。

图2:纳米限域水的介电分散。

图3:分子尺度限域下，水的平面电学性质。

实验采用范德瓦尔斯组装技术，将六方氮化硼和石墨堆叠成高度可控的纳米通道（1–60 nm），通道宽度约200 nm。底部为石墨电极，上方覆盖厚hBN层以引入平面电场。使用扫描介电显微镜在0.1 kHz至1.1 GHz频率范围内施加交流电压，通过测量AFM针尖与样品间的静电作用力，获取局部阻抗信号。通过对比水填充通道与hBN间隔区域的介电响应，结合三维数值模拟与等效电路分析，提取了水的平面介电常数与电导率。

该项研究，首次揭示了极端纳米限域条件下水的异常电学行为。通过扫描介电显微镜测量发现，当水被限制在1–2纳米通道内时，平面介电常数高达约1000，接近铁电体水平，同时质子电导率提升至3 S/m，接近超离子液体。这一发现源于氢键网络在强限域下的高度无序，促进了分子偶极的集体极化和质子快速迁移。该研究为理解纳米尺度下水的行为提供了关键实验依据，对能源存储、纳米流体器件及生物膜传输等领域具有深远影响。

文献链接

Wang, R., Souilamas, M., Esfandiar, A. et al. In-plane dielectric constant and conductivity of confined water. Nature 646, 606–610 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09558-y

本文译自Nature。

内容来源：今日新材料

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