纳米尺度受限中的水：偶极的长程关联使其转变为铁电体

当水被夹在两块相距仅几纳米的板之间时，它便不再表现得像普通液体。其沿层平面方向的介电常数飙升至一千以上，而垂直于壁面方向则降至二至三个单位。与此同时，质子导电率急剧上升。

把水视为具有恒定介电常数的简单介质这一常规观念在此行不通。当间隙厚度小于五纳米时，几乎全部水都处于表面影响区内。分子无法在三维空间中自由取向——其偶极被迫平躺在平面内。

这种限制延长了相邻偶极之间的关联。取代局部涨落的是由数百个分子组成的畴，它们通过氢键相连并协同振荡。此类集体运动增强了平面对电场的响应，同时抑制了垂直方向的响应。

基于线性响应并采用极化关联指数核构建的理论模型，给出了普适的标度律。介电常数与关联长度的平方成正比增长，而导电率则与层厚成反比。计算结果与厚度在一至五纳米范围内的实验在定量上吻合。

纳米受限水表现得像一种具有铁电特征的关联极性液体。其性质并非由电容器的几何形状决定，而是由偶极的集体涨落决定。这为在纳米通道和纳米孔中调控离子输运与化学活性开辟了道路。

理解这一机制，使人们能够预测水在生物膜、石墨烯通道以及层厚以纳米计量的纳米材料中的行为。