2026年1月12日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔轻元素量子材料交叉平台江颖，王恩哥教授团队，联合香港城市大学曾晓成教授团队和德国斯图加特大学 Jörg Wrachtrup 教授团队，在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“Experimental observation of liquid–solid transition of nanoconfined water at ambient temperature”的研究成果。

该成果通过扫描探针显微学（SPM）与金刚石氮-空位（NV）色心量子传感技术的高效融合，并结合理论模拟的深入分析，首次在室温条件下实验观测到纳米限域水的液–固相变行为，为理解长期困扰科学界的纳米限域水异常性质提供了关键实验证据，并为深入认识纳米尺度水的结构与相变行为提供了全新的研究视角。

论文通讯作者是江颖、王恩哥、边珂、曾晓成，第一作者是郑闻天、张世辰、江健。

水在纳米限域环境中表现出许多不同于体相水的异常性质，例如超快传输、超低介电常数、超润滑效应和铁电行为等。然而，这些异常现象的微观起源长期存在争议。根本难点在于，传统实验手段难以直接解析纳米尺度水的氢键网络及其动力学结构。例如，扫描探针显微技术（SPM）虽可实现对表面水/冰结构的亚分子级成像，但无法探测嵌埋在纳米限域中的水分子；透射电子显微镜（TEM）可用于探测埋藏界面的结构，但对氢原子不敏感，且高能电子束可能扰动水体本身结构。正因如此，获取纳米限域水的真实结构与相态成为国际研究的前沿难题，也亟需发展可在纳米尺度直接探测水分子结构与扩散行为的先进实验手段。

在这项工作中，江颖教授团队开发了一种支持纳米尺度水结构探测的扫描量子传感显微系统（NV-SPM），实现了对纳米限域水的扩散动力学行为与氢键网络结构的探测。利用NV-SPM的兼容高空间分辨和高探测灵敏度的优势，该研究突破了传统手段在纳米限域水观测中的瓶颈，首次在实验上展示了当限域厚度小于约1.6 nm时，水分子的扩散行为显著减缓，氢键网络趋于有序化，并在厚度进一步减小至约1 nm或更小时，完全转变为晶体相的液–固相变现象。曾晓成教授团队通过分子力动力学揭示在该限域体系液固突变的动力学机制。由于NV-SPM的可扩展性，未来可广泛拓展应用于纳米孔道、二维材料界面及其他轻元素体系，为推动纳米流体学、量子传感和材料科学等多学科交叉研究带来新的突破可能。

图1：实验装置的示意图以及针对限域尺寸的 SPM 测量。

图2：不同限域尺寸下受限水的NMR 光谱。

图3：通过实验和理论计算揭示纳米受限水的液-固相变。

图4：纳米受限水液-固相变机制的结构分析。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02456-8