在常温常压下呈稳定固态行为的水

表现如固体的水

我们通常把水的印象与流动、飞溅和蒸发联系在一起，除非它结成冰。这项研究揭示了一种令人惊讶的新行为：在合适的受限条件下，普通液态水在日常温度和压力下也能表现出固体般的行为。理解这种异常状态可能会改变我们对岩石微孔、微型机械乃至生物系统中水的认识。

将水困在微小玻璃管内

研究者使用的是由二氧化硅制成的毛发般细的管子，这种材料类似石英的玻璃状物质。这些管子是中空的，可以注入水，其内径从亚微米级到数微米不等（1 微米为 1 毫米的千分之一）。当水被封入亚微米到几微米尺度的管内时，它不再表现为普通液体。利用聚焦离子束，研究团队能够对管内的水进行切片、雕刻出锋利的截面，甚至在施加压力时使其变形而不流动——这些行为通常与软固体相关而非液体。这些类固体“塞块”在 −20 至 90 摄氏度、从高真空到正常大气压范围内保持完好，并在至少 54 天内稳定存在。

探查隐秘的内部结构

为弄清这种受限水为何如此不同，团队采用了多种“分子监听器”：拉曼和红外光谱以及质子核磁共振（¹H NMR）。这些工具测量水分子的振动与运动。在最小的管道中，光谱指纹相比普通液态水发生了位移和展宽，表明分子运动减慢且分子间键网络发生重组。电子衍射——一种观察晶体图案的方法——没有显示出冰中常见的清晰斑点或环，而是呈现出弥散的晕环。这意味着这种类固态水并非以规则晶格冻结，而是处于一种无长程有序的非晶玻璃状状态：行为上像固体，但缺乏像雪花或冰块那样的长程有序结构。

排除污染并找到真实原因

一个显而易见的问题是，这种类固态物质是否可能是某种杂质或残留物。为此，研究者用能揭示元素组成及其离子片段的技术分析了挤出的物质。他们几乎只检测到氢和氧，与水及周围的二氧化硅一致，未见明显的外来元素信号。这支持了该相确实是受限水的一种形式，而非污染物。随后注意力转向管子的内表面。详细测量表明，当管径收缩到约 2–5 微米以下时，二氧化硅表面带氢位点（硅醇基）的密度显著上升，尤其在内壁几纳米范围内。当团队通过化学方法去除部分这些基团时，原本呈类固态的水又恢复为正常液体。相反，当他们在较大管道上增加这些基团数量时，受限水变得类固态。这种可逆的转换强烈指向表面化学而非仅靠紧密几何为决定因素。

表面化学如何在不结冰的情况下冻结运动

目前的图景是，内壁拥挤的硅醇基充当了附近水分子的强力锚点。通过强氢键，它们抑制水分子的振动和旋转，有效降低了分子的动能而不形成晶体。随着表面被这些基团更密集地覆盖且管道变窄，这种影响会向壁面更远处延伸，最终将相当体积的水锁定为低迁移率的类固态。研究显示，该状态在近中性到弱碱性条件（中等 pH）下更有利，但在强酸性条件下会被破坏——酸会改变表面的质子平衡并削弱界面键合网络。有趣的是，即便加入高浓度盐也几乎没有影响，说明壁面处的短程相互作用在此处比体相溶液效应更占主导。

为什么这不仅仅是实验室里的趣闻

对非专业读者来说，关键信息是：水不必被冻结或被挤进极窄的纳米孔才能表现为固体。在这项工作中，亚微米级几何尺寸与极具反应性的内表面共同作用，使水在室温和常压下呈现出稳定的玻璃样状态。这一发现可能有助于解释富含二氧化硅的紧致岩层中令人困惑的缓慢流动现象，在那里水的流动比预期更迟缓。它还提示了设计微流控器件、微型反应器以及可能基于被固定水而非冰的无冻结保存方法的新途径。简言之，通过在小尺度上精细设计表面，我们或许能够按需在液态与类固态水之间切换。

引用: Wei-qing, A., Xiang-an, Y. & Ji-rui, Z. A stable solid-like water at normal condition. Sci Rep 16, 14588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42682-x

关键词: 受限水, 二氧化硅微管, 类固相, 界面化学, 氢键