【引言】

 

界面水的电极化决定了水介导的分子间作用力的强度，这反过来又影响到表面水合，离子溶剂化，纳米孔的分子运输，化学反应和大分子组装等现象。虽然界面水的介电性能的理论和实验进行了广泛的研究，界面水的介电常数ε及其深度仍然基本未知，因为测量具有挑战性。先前实验评估界面水的ε主要依赖于应用于大规模自然发生系统，如纳米多孔晶体，沸石粉末和分散体的宽带介电光谱学。这些系统允许进行足够量的界面水来进行电容测量，但复杂的几何形状需要可调参数和广泛的建模，这导致实验不确定性较大且控制较差。由于缺乏用于测量界面水极化率的直接探针，大多数证据来自分子动力学（MD）模拟，其中也涉及某些假设。这些研究一般预测极化率应该降低大约一个数量级。

 

 【成果简介】

 

今日，在英国曼彻斯特大学 A. K. Geim教授和L. Fumagalli教授（共同通讯作者）的带领下，与伊朗沙力夫理工大学，西班牙巴塞罗那大学和日本国立材料研究所合作，使用了可以用水控制填充的不同高度的狭缝状通道。这些通道被结合到电容电路中，对介电性质的局部变化具有极高的灵敏度，能够确定在内部的水的面外介电常数ε_⊥。通过先前报道的方法：三个原子扁平的石墨和六方氮化硼晶体（hBN）的范德瓦尔斯组装来制造实验器件。石墨被用作组件的底层以及电容测量中的接地电极。接下来，将间隔层放置在石墨的顶部，将hBN晶体图案化成平行条纹。通过将另一个hBN晶体放置在顶部来完成该组装。隔离物确定了通道的高度h，另外两个晶体用作顶部和底部的壁。每个设备对于给定的h都包含多个并行通道，这确保了测量的高重现性并减少了统计错误。当需要时，通道可以通过从背面用石墨蚀刻的微米尺寸的入口用水填充。揭示了具有极小极化的界面层的存在，使得它的面外ε仅为〜2。发现电死层为二到三分子厚。这些结果为描述水介导的表面相互作用和界面水行为的理论提供了思路，并展示了一种方法来研究在极限条件下的其他流体和固体的介电性质。相关成果以题为“Anomalously low dielectric constant of confined water”发表在了Science上。

 

 【图文导读】

 

图1 电介质成像的实验装置

图2 密闭水介质成像

图3  强约束条件下水的介电常数