水油界面廣泛存在于自然界和工業(yè)中，從細胞膜到化妝品，再從食品加工到石油開采，其性質對眾多過程起到關鍵作用。

然而，長期以來，科學家們一直致力于探索界面水的行為和性質，但這一問題卻是一個百年以來“懸而未決”的學術難題。

美國哥倫比亞大學閔瑋教授課題組與合作者近期的一項研究，為理解油水界面的化學反應性提供了新的視角。

他們基于開發(fā)的新型拉曼光譜技術，揭示了水油界面處水分子的獨特結構和強大的電場。

研究發(fā)現，界面處的水分子結構更加無序、氫鍵也更弱，并且首次測量到其存在一個強度約為 50-90MV/cm 的電場。這一發(fā)現不僅深化了對水油界面行為的理解，也為相關工業(yè)應用提供了重要的科學依據。

圖丨水油界面的效果圖（來源：施立雪）

近日，相關論文以《油滴界面處水的結構和電場》（Water structure and electric fields at the interface of oil droplets）為題發(fā)表在Nature[1]。

哥倫比亞大學施立雪博士（現復旦大學研究員）是第一作者兼共同通訊作者，博士后 R·艾倫·拉庫爾（R. Allen LaCour）是共同第一作者，美國加州大學伯克利分校特蕾莎·海德·戈登（Teresa Head-Gordon）教授和哥倫比亞大學閔瑋教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature）

水的特殊性質在于：在大量水的情況下，性質表現為非常柔和以及惰性；但根據最近五到十年的研究文獻，當水變成小水滴且與空氣接觸后，會產生一系列反常的化學反應。

例如，它可以還原金屬，甚至“無中生有”地產生雙氧水，這些現象極有可能與水在界面處的行為密切相關。盡管科學家們觀察到這些異常的現象，但對于“水表面到底在發(fā)生什么”仍缺乏確鑿的理論支撐。

在該研究中，研究人員發(fā)現油水界面處的水分子結構更加無序，氫鍵更弱，并且存在大量自由羥基（OH）基團，其振動頻率發(fā)生顯著紅移（約 95 cm?1）。

光學成像實驗顯示，帶電的熒光探針會被吸引到油滴界面，并與界面處的電場對齊。此外，當向乳液中添加非離子表面活性劑 Triton X-100 時，油滴的電位降低，自由羥基的紅移也隨之減小。

并且，實驗結論與理論計算結果高度相符，進一步支持了界面電場的存在及其對水分子振動頻率的影響。

“這是一個令人驚訝的發(fā)現，界面處電場的強度居然這么高。我認為，這次的研究方法比之前的方法更加干凈和可靠，為水油界面的特殊性質提供了有力的物理解釋。”閔瑋表示。

圖丨閔瑋（來源：閔瑋）

那么，這種電場可能發(fā)揮怎樣的作用呢？

生物體內的化學反應是在生物催化劑酶的作用下發(fā)生的，發(fā)生催化的關鍵之處就在于需要強電場。閔瑋指出，水油界面處的電場強度能夠與酶相媲美，也就是說，水和油之間很有可能直接產生類似催化劑的效應。

實際上，該團隊在五年前曾發(fā)現類似現象并推測存在的是電場，但由于當時技術的局限性，并沒有對推測加以證實。該研究不僅實現了定量測量，而且實驗結果與理論計算能夠很好地吻合。

除了超強電場，研究人員還發(fā)現了一個非常有趣的現象：在水油界面處，有將近四分之一的水分子處于類似游離的狀態(tài)。

雖然水分子的化學式是 H2O，由兩個氫原子和一個氧原子組成，但實際上水分子從不單獨存在，而是往往和其他水分子共同形成一個龐大的氫鍵網絡。

然而在水油界面處，這種集體行為被“打破”了：大約有四分之一的水分子脫離了這個網絡，進入了一種半游離的狀態(tài)。這種狀態(tài)的水分子與常規(guī)的水分子網絡完全不同，因為它們不再被束縛在網絡中，而是獲得了更多的自由度。

“新的自由水分子對界面的性質影響非常大，水油界面處有四分之一的水分子表現出異于常規(guī)水分子的特性。由此可見，水油界面處的水分子狀態(tài)已經發(fā)生了非常大的改變。”閔瑋表示。

（來源：Nature）

水界面特性的深入理解和應用，有望對化學、環(huán)境和生物等多個領域產生深遠影響。

在化學領域，催化過程通常面臨諸多挑戰(zhàn)，例如反應條件苛刻、耗時費力且不環(huán)保，往往需要使用昂貴且有毒的催化劑，這不僅增加了成本，還帶來了后續(xù)處理的難題。

然而，化學工業(yè)又高度依賴催化劑。如果水的表面能夠發(fā)揮催化作用，將為化學催化提供一種綠色環(huán)保的替代方案。

這意味著，人們可以直接合成目標化學品，并且整個合成過程更加環(huán)保高效。這不僅是化學領域的一個重大進步，也為整個工業(yè)生產模式提供了全新的思路。

從環(huán)境角度來看，過去在研究大氣污染和大氣化學時，往往忽略了水表面的性質。然而，如果大氣中水與空氣形成的界面也能發(fā)生類似的反應，將為理解大氣化學帶來新的方向，有助于更全面地認識大氣污染的形成機制和化學過程。

在生物領域，細胞膜的化學成分與油相似，也是一種類似脂肪的物質。細胞內的水與細胞膜接觸時，界面特性也必須被考慮在內。

目前，人們對細胞內部的理解還存在很多不足，比如細胞內的信號傳導，有些現象一直讓人困惑，很可能是因為忽略了水在其中的作用。因此，深入研究水界面的特性，對于揭示細胞內部的復雜機制具有重要意義。

盡管目前該團隊已經觀察到水表面的一些特殊現象，但對其背后的微觀原因還不能完全確定。例如，水的表面可能存在一些特定的離子，這可能是導致其表現出特殊性質的原因之一。

在接下來的研究階段，該課題組將對水的表面特性進行更深入、分層次的研究，以進一步確認其成分和微觀機制。

同時，研究人員也在積極探索水的特性在化學、催化、生物和環(huán)境等領域的應用，以確認是否能夠通過引入這一機理，為懸而未決的相關問題提供新的解決方案，從而推動相關領域的研究和技術發(fā)展。

參考資料：

1.Shi, L., LaCour, R.A., Qian, N. et al. Water structure and electric fields at the interface of oil droplets.Nature(2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08702-y

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