Wasser, das zwischen zwei Platten in einem Abstand von nur wenigen Nanometern eingeschlossen ist, verhält sich nicht mehr wie eine gewöhnliche Flüssigkeit. Seine Dielektrizitätskonstante entlang der Ebene der Schicht steigt auf über tausend, während sie senkrecht zu den Wänden auf zwei bis drei Einheiten fällt. Gleichzeitig wächst die Protonenleitfähigkeit stark an.
Die üblichen Vorstellungen von Wasser als einem einfachen Medium mit konstanter Permittivität greifen hier nicht. Wenn die Dicke des Spalts weniger als fünf Nanometer beträgt, steht fast das gesamte Wasser unter dem Einfluss der Oberflächen. Die Moleküle können sich nicht frei in drei Dimensionen orientieren – ihre Dipole sind gezwungen, in der Ebene zu liegen.
Diese Einschränkung verlängert die Korrelationen zwischen benachbarten Dipolen. An die Stelle lokaler Fluktuationen treten Domänen aus Hunderten von Molekülen, die durch Wasserstoffbrücken verbunden sind und gemeinsam schwingen. Solche kollektiven Bewegungen verstärken die Antwort auf ein elektrisches Feld in der Ebene und unterdrücken sie in der senkrechten Richtung.
Ein theoretisches Modell, das auf der linearen Antwort mit einem exponentiellen Kern der Polarisationskorrelationen aufbaut, liefert universelle Skalierungsgesetze. Die Dielektrizitätskonstante wächst proportional zum Quadrat der Korrelationslänge, die Leitfähigkeit dagegen umgekehrt proportional zur Dicke der Schicht. Die Berechnungen stimmen quantitativ mit den Experimenten im Bereich der Dicken von einem bis fünf Nanometern überein.
Nanobegrenztes Wasser verhält sich wie eine korrelierte polare Flüssigkeit mit ferroelektrischen Zügen. Seine Eigenschaften werden nicht durch die Geometrie des Kondensators bestimmt, sondern durch kollektive Fluktuationen der Dipole. Das eröffnet einen Weg zur Steuerung des Ionentransports und der chemischen Aktivität in Nanokanälen und Nanoporen.
Das Verständnis des Mechanismus ermöglicht es, das Verhalten von Wasser in biologischen Membranen, Graphenkanälen und Nanomaterialien vorherzusagen, wo die Dicke der Schicht in Nanometern gemessen wird.
