看见创新·重大成果一线观察 | 解水问源：让“源头活水”在怀柔奔涌
日期：2026-04-08
来源：北京怀柔科学城管理委员会
3月26日，2026年中关村论坛·国家重大科技基础设施开放共享论坛暨怀柔综合性国家科学中心重大成果发布会在怀柔科学城举行，集中发布8项重大科技成果。在这些成果中，有一项揭示了水在纳米受限条件下的全新物态，突破了传统宏观认知中“水为常态液体”的理解，展现了其在微观尺度上的复杂性与多样性。本期“看见创新·重大成果一线观察”，将带您走进这项突破性成果——室温下“类固态”水的发现。
水龙头里流动的水、水沸腾时的蒸气、冷冻室里水结成冰......液态、气态、固态，我们对水的认识大多来自于这些日常经验。
然而，在生命体内、岩石微小的缝隙里、工业薄膜材料中，水往往被压缩进极其狭窄的空间，有的空间宽度只有几个纳米，大约是一根头发丝直径的万分之一。这类被“关在笼子里”的水，被称为“纳米受限水”。
这类水既不像普通液体那样自由流动，也不完全像固体那样稳定有序，而是呈现出一系列难以解释的异常性质。然而，长期以来，许多认识仅仅停留在理论推断层面。
来自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的江颖、边珂、王恩哥等，联合香港城市大学曾晓成教授合作完成“室温条件下纳米受限水液-固相变的实验观测”研究，利用原创的扫描量子传感显微技术，首次在室温环境中捕捉到纳米受限水的“类固体”状态，为理解其一系列反常性质提供了关键实验证据。相关研究成果发表于《自然-材料》和《科学》杂志。
解锁“水”的新面目
基于自主研发的扫描量子传感显微镜研究纳米受限水示意图
会“逃跑”的“冰”
“类固体”水为什么会出现超快传输现象？研究团队发现这与其“超润滑”特性有关。与“类固体”水的发现过程相比，“超润滑”特性的发现，来自于实验中的屡屡碰壁。北京大学物理学院特聘研究员洪嘉妮回忆，当时团队的目标是观察二维材料表面上的水的氢键网络结构。然而，无论针尖如何调整，只要针尖一靠近材料表面，冰状水层便开始滑动，“我们一测它就跑。”
只有“稳定不动”的样品才能保证高分辨成像，这对于正在努力获取高质量成像数据的研究者而言，无疑是令人沮丧的消息。
然而，研究团队并没有就此放弃，而是开始追问：这块“冰片”，为什么会“逃跑”？他们猜测：“逃跑”是否意味着冰片与衬底之间存在摩擦力极小的“超润滑”行为？顺着这条线索，江颖团队开始尝试借助高精度针尖操纵技术，通过可控地“搓冰”去测量冰片与表面之间的摩擦力。
但挑战接踵而至，洪嘉妮分享道，在扫描探针领域，此前国际上的可控操纵多局限于由少数原子构成的小分子或团簇体系，通常不超过十余个原子。然而在本次研究工作中，操纵的类固冰的原子数目大于三万个水分子，折合近十万个原子。洪嘉妮回忆道“每一次操纵都可能要耗费学生两周的时间，整个工作我们大概做了2~3年，我认为我们把原子操纵这项工作做到了极致。”
研究的发现，让一切豁然开朗。此前，在纳米受限体系下，超快水输运的现象已被反复观测，但其背后的微观机理始终不明。这项工作首次提供了原子尺度的物理图像：水在纳米受限环境下形成了有序的“类固体”结构，其晶格与衬底的晶格天然“不相配”。正是这种不匹配，导致了超润滑现象的产生。洪嘉妮说：“我们不仅回答了之前的科学问题，而且在此基础上给出了一个更完整的图像。”诺贝尔物理学奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫将这项工作评价为“无摩擦水输运的首个实验证据”。
支撑“搓冰”实验的其中一环，正是团队自主研发并已实现国产化的第一代qPlus光耦合扫描探针显微镜，这台设备曾在2025年中关村论坛——国家重大科技基础设施开放共享论坛暨怀柔综合性国家科学中心重大成果发布会上重点亮相。而观测类固体水相变的第二代系统，则是在第一代技术基础上发展而来，“第一代看表面，第二代看里面”，边珂说，没有这些自主研发的实验设备，观测纳米受限水和操纵纳米冰片只能是纸上谈兵。
基于自主研发的高分辨扫描探针技术实现“纳米冰片”的摩擦测量示意图
为基础研究厚植创新沃土
“这条迈向实际应用的路，我们只走了不到三分之一的路程”，研究团队表示，这是一项从微观结构出发的基础研究创新，未来，研究成果可能在低能耗海水淡化、高效能源转化等方向进行实际应用，而每一个应用方向都需要多学科的协同推进。
团队此次在2026年中关村论坛的平行论坛上发布研究成果，正是为了打开合作窗口，让更多潜在合作方看到这项工作的价值。从生命科学到环境科学，再到能源科学......这些关键领域的发展，或许正需要一个来自微观世界的创新突破作为破题的关键线索。
让科研团队能够安心做“从无到有”的探索，让科研平台能够支撑“从有到优”的跃升，让创新主体能够围绕国家需求形成合力，正是怀柔科学城不断释放的独特价值。在轻元素量子材料交叉平台，团队实现了从实验室样机走向工程化装置的跨越。此外，中科艾科米也参与了高端扫描探针显微镜的研制并有力推动了转化，多场低温则为纳米定位器等关键部件提供了技术支持。
从原理探索到工程化研制，再到面向应用的开放合作，科研成果转化是一个久久为功、持续深化的过程。未来，怀柔科学城将为跨学科跨机构合作提供现实接口，让更多“从0到1”的突破，开启“从1到100”的无限可能。
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