L'eau, piégée entre deux plaques distantes de quelques nanomètres seulement, cesse de se comporter comme un liquide ordinaire. Sa permittivité diélectrique dans le plan de la couche s'envole au-delà du millier, tandis que perpendiculairement aux parois elle chute jusqu'à deux ou trois unités. Simultanément, la conductivité protonique augmente fortement.
Les représentations habituelles de l'eau comme milieu simple à permittivité constante ne fonctionnent plus ici. Lorsque l'épaisseur de l'interstice est inférieure à cinq nanomètres, la quasi-totalité de l'eau se trouve dans la zone d'influence des surfaces. Les molécules ne peuvent plus s'orienter librement dans les trois dimensions — leurs dipôles sont contraints de rester dans le plan.
Cette contrainte allonge les corrélations entre dipôles voisins. Au lieu de fluctuations locales apparaissent des domaines de plusieurs centaines de molécules, liées par des liaisons hydrogène et oscillant de manière concertée. Ces mouvements collectifs renforcent la réponse au champ électrique dans le plan et la suppriment dans la direction perpendiculaire.
Le modèle théorique, construit sur une réponse linéaire à noyau exponentiel de corrélations de polarisation, fournit des lois d'échelle universelles. La permittivité diélectrique croît proportionnellement au carré de la longueur de corrélation, et la conductivité — inversement proportionnelle à l'épaisseur de la couche. Les calculs coïncident quantitativement avec les expériences dans la plage d'épaisseurs allant d'un à cinq nanomètres.
L'eau nanoconfinée se comporte comme un liquide polaire corrélé aux traits ferroélectriques. Ses propriétés ne sont pas déterminées par la géométrie du condensateur, mais par les fluctuations collectives des dipôles. Cela ouvre la voie au contrôle du transport ionique et de l'activité chimique dans les nanocanaux et les nanopores.
La compréhension du mécanisme permet de prédire le comportement de l'eau dans les membranes biologiques, les canaux de graphène et les nanomatériaux, où l'épaisseur de la couche se mesure en nanomètres.
