纳米尺度水的物理性质长期以来是科学研究的难点；当水被限制极小空间内，其结冰温度、流动特性等会发生显著变化，但这些现象的微观机制一直缺乏直接的实验观测证据。理论模拟虽然预测了这些现象，却因缺乏合适的观测手段而无法验证，这种困境严重制约了纳米流体学的发展。 为了突破这个瓶颈，北京大学物理学院量子材料科学中心的江颖团队经过多年技术攻关，创新性地将扫描探针技术与量子传感技术相融合，自主研发出扫描量子传感显微系统。该系统意义在于原子尺度的分辨能力，灵敏度远超传统手段，使直接观测纳米空腔内水分子的结构与相变成为现实。 研究团队通过精密控制纳米空间尺寸，系统观测了水分子在不同受限条件下的行为。当受限空间从1.6纳米缩小至以下时，水分子扩散运动明显减缓，进入介于液体和固体之间的"类固体"状态。水分子虽保持一定活动性，但运动方式已接近固体。当空间继续压缩至1纳米以下时，水在室温条件下完全"冻结"，形成规则有序的晶体结构，打破了人们对水在常温下必为液态的认知。 这项研究体现在多个上。首先，它为分子动力学理论模拟提供了实验验证，证实了计算机模拟的预测结论。其次，它揭示了纳米通道中流体实现"超润滑"输运的微观原因。水以"类固体"形式流动时，分子间相互作用方式发生根本改变，使流体能以近乎无摩擦的方式运动，这对理解和应用纳米流体具有重要指导意义。 从应用前景看，这一发现将对多个领域产生影响。在纳米芯片散热、微流体器件、膜分离技术等领域，纳米尺度水的特殊性质都可被加以利用。利用纳米受限水的"超润滑"特性，可设计更高效的微流体泵和分离装置；在芯片散热中，可开发性能更优的冷却系统。此外，这项技术还为研究其他纳米受限流体的相变现象奠定了基础，有望推动整个纳米流体学领域的发展。 这项研究由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与香港城市大学合作完成，对应的成果已在国际顶级学术期刊《自然-材料学》上发表。
微观世界的每一次发现都在重塑人类对自然的理解。此次我国科学家对纳米水结晶现象的精准捕捉，不仅填补了物质相变理论的空白，更展现了原始创新能力的突破。在科技竞争日益聚焦基础研究的今天，这种从源头解构科学难题的研究范式，将为建设世界科技强国注入新的动能。