わずか数ナノメートルの距離で二枚の板の間に挟まれた水は、もはや通常の液体として振る舞わなくなる。層の面内方向に沿ったその誘電率は千を超えて跳ね上がり、壁面に垂直な方向では二から三単位まで低下する。同時に、プロトンによる伝導率が急激に増大する。
誘電率が一定の単純な媒質としての水に関する通常の見方は、ここでは通用しない。間隙の厚さが五ナノメートル未満になると、ほぼすべての水が表面の影響圏内に置かれる。分子は三次元で自由に配向することができず、その双極子は面内に留まることを余儀なくされる。
この制約は隣接する双極子間の相関を長くする。局所的な揺らぎの代わりに、水素結合で結ばれ協調して振動する数百個の分子からなるドメインが生じる。こうした集団的な運動は、面内における電場への応答を強め、垂直方向ではそれを抑制する。
分極相関の指数関数的な核を伴う線形応答に基づいて構築された理論モデルは、普遍的なスケーリング則を与える。誘電率は相関長の二乗に比例して増大し、伝導率は層の厚さに反比例する。計算は一ナノメートルから五ナノメートルまでの厚さの範囲で実験と定量的に一致する。
ナノ拘束された水は、強誘電体的な特徴を備えた相関のある極性液体として振る舞う。その性質はコンデンサの幾何学的形状ではなく、双極子の集団的な揺らぎによって決まる。これはナノチャネルやナノポアにおけるイオン輸送と化学活性を制御する道を開く。
このメカニズムを理解することで、層の厚さがナノメートル単位で測られる生体膜、グラフェンチャネル、ナノ材料中における水の挙動を予測することが可能になる。
