长期以来，科学界对纳米尺度下水的行为机制了解不足。当水分子被限制十亿分之一米级的狭小空间中，其物理性质会明显偏离常态，出现冰点异常升高、流动加快等现象。但由于传统观测手段难以穿透界面，这些反常行为背后的微观机制一直缺乏直接证据。为解决此难题，北京大学江颖教授团队与香港城市大学曾晓成教授团队合作，经过多年研究，将量子传感技术与扫描探针技术结合，研制出“扫描量子传感显微系统”。该系统实现原子级磁共振成像，灵敏度较传统方法提升两个数量级，突破了纳米空腔内水分子动态观测的关键瓶颈。实验结果显示，当水分子受限于1.6纳米空间时，扩散速度降至液态水的万分之一，表现出“类固体”特征；当空间深入压缩到1纳米以下，水分子在室温下会自发形成有序晶体结构。这一发现验证了分子动力学模拟的对应的预测，也揭示了纳米管道中超低摩擦传输的物理原因——类固态的有序排列有助于降低流动能耗。该研究的意义主要体现在三个上：基础科学上，首次给出纳米受限水相变的直接实验证据；在应用层面，为高效纳米流体芯片、海水淡化膜等器件研发提供理论依据；在方法层面，所发展的量子传感显微技术有望推广到更多界面科学问题。项目负责人表示，团队下一步将把研究拓展到生物细胞膜内水分子行为的观测，并探索其在能源材料表征中的应用。国际同行评议认为，这项工作显示中国在微观物质观测与成像上已达到国际领先水平。
从“看不见”到“看得清”，关键在于原创工具与原创问题的相互推进。对纳米受限水相变的直接观测——既是一项基础科学发现——也展示了以自主仪器打开微观世界新窗口的研究路径。面向未来，只有持续夯实基础研究，打通机理到应用的转化链条，才能把微观尺度的一次“冻结”，转化为宏观世界更可持续发展的更多可能。