奈米薄膜中的水：偶極的長程關聯使其轉變為鐵電體

被夾在兩片平板之間、間距僅數奈米的水，不再表現得像普通液體。其沿著層面方向的介電常數飆升至高於一千，而垂直於壁面的介電常數則降至二至三個單位。同時，質子傳導率急劇上升。

將水視為具有固定介電常數的簡單介質這種常規觀念，在此行不通。當間隙厚度小於五奈米時，幾乎所有的水都處於表面影響的範圍內。分子無法在三維空間中自由取向——它們的偶極被迫躺在平面內。

這種限制延長了相鄰偶極之間的關聯。取而代之的是，不再是局部漲落，而是出現由數百個分子組成、以氫鍵相連並協同振盪的疇。這類集體運動增強了對平面內電場的回應，並抑制了垂直方向的回應。

建立在極化關聯具有指數核的線性回應之上的理論模型，給出了普適的標度律。介電常數與關聯長度的平方成正比增長，而傳導率則與層厚成反比。計算結果在厚度從一奈米到五奈米的範圍內與實驗定量吻合。

奈米受限水表現得像一種具有鐵電特徵的關聯極性液體。其性質並非由電容器的幾何形狀決定，而是由偶極的集體漲落決定。這為調控奈米通道與奈米孔中的離子傳輸和化學活性開闢了道路。

理解這一機制，使人們能夠預測水在生物膜、石墨烯通道以及層厚以奈米計的奈米材料中的行為。