Science又發表范德瓦爾斯研究的最新應用：新突破——測量界面水的介電常數

【引言】

界面水的電極化決定了水介導的分子間作用力的強度，這反過來又影響到表面水合，離子溶劑化，納米孔的分子運輸，化學反應和大分子組裝等現象。雖然界面水的介電性能的理論和實驗進行了廣泛的研究，界面水的介電常數ε及其深度仍然基本未知，因為測量具有挑戰性。先前實驗評估界面水的ε主要依賴于應用于大規模自然發生系統，如納米多孔晶體，沸石粉末和分散體的寬帶介電光譜學。這些系統允許進行足夠量的界面水來進行電容測量，但復雜的幾何形狀需要可調參數和廣泛的建模，這導致實驗不確定性較大且控制較差。由于缺乏用于測量界面水極化率的直接探針，大多數證據來自分子動力學（MD）模擬，其中也涉及某些假設。這些研究一般預測極化率應該降低大約一個數量級。

?【成果簡介】

今日，在英國曼徹斯特大學 A. K. Geim教授和L. Fumagalli教授（共同通訊作者）的帶領下，與伊朗沙力夫理工大學，西班牙巴塞羅那大學和日本國立材料研究所合作，使用了可以用水控制填充的不同高度的狹縫狀通道。這些通道被結合到電容電路中，對介電性質的局部變化具有極高的靈敏度，能夠確定在內部的水的面外介電常數ε_⊥。通過先前報道的方法：三個原子扁平的石墨和六方氮化硼晶體（hBN）的范德瓦爾斯組裝來制造實驗器件。石墨被用作組件的底層以及電容測量中的接地電極。接下來，將間隔層放置在石墨的頂部，將hBN晶體圖案化成平行條紋。通過將另一個hBN晶體放置在頂部來完成該組裝。隔離物確定了通道的高度h，另外兩個晶體用作頂部和底部的壁。每個設備對于給定的h都包含多個并行通道，這確保了測量的高重現性并減少了統計錯誤。當需要時，通道可以通過從背面用石墨蝕刻的微米尺寸的入口用水填充。揭示了具有極小極化的界面層的存在，使得它的面外ε僅為?2。發現電死層為二到三分子厚。這些結果為描述水介導的表面相互作用和界面水行為的理論提供了思路，并展示了一種方法來研究在極限條件下的其他流體和固體的介電性質。相關成果以題為“Anomalously low dielectric constant of confined water”發表在了Science上。

?【圖文導讀】

圖1 電介質成像的實驗裝置

圖2 密閉水介質成像

圖3??強約束條件下水的介電常數

?文獻鏈接：Anomalously low dielectric constant of confined water（Science, 2018, DOI：10.1126/science.aat4191）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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