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(zhì)對眾多過程起到關(guān)鍵作用。
然而，長期以來，科學(xué)家們一直致力于探索界面水的行為和性質(zhì)，但這一問題卻是一個百年以來“懸而未決”的學(xué)術(shù)難題。
美國哥倫比亞大學(xué)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(xué)反應(yīng)性提供了新的視角。
他們基于開發(fā)的新型拉曼光譜技術(shù)，揭示了水油界面處水分子的獨特結(jié)構(gòu)和強大的電場。
研究發(fā)現(xiàn)，界面處的水分子結(jié)構(gòu)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(xiàn)不僅深化了對水油界面行為的理解，也為相關(guān)工業(yè)應(yīng)用提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
近日，相關(guān)論文以《油滴界面處水的結(jié)構(gòu)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(xué)施立雪博士（現(xiàn)復(fù)旦大學(xué)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(xué)伯克利分校特蕾莎·海德·戈登（Teresa Head-Gordon）教授和哥倫比亞大學(xué)閔瑋教授擔任共同通訊作者。
水的特殊性質(zhì)在于：在大量水的情況下，性質(zhì)表現(xiàn)為非常柔和以及惰性；但根據(jù)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(chǎn)生一系列反常的化學(xué)反應(yīng)。
例如，它可以還原金屬，甚至“無中生有”地產(chǎn)生雙氧水，這些現(xiàn)象極有可能與水在界面處的行為密切相關(guān)。盡管科學(xué)家們觀察到這些異常的現(xiàn)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(xiàn)油水界面處的水分子結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)論與理論計算結(jié)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(xiàn)，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(zhì)提供了有力的物理解釋?！遍h瑋表示。
那么，這種電場可能發(fā)揮怎樣的作用呢？
生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)是在生物催化劑酶的作用下發(fā)生的，發(fā)生催化的關(guān)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(chǎn)生類似催化劑的效應(yīng)。
實際上，該團隊在五年前曾發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象并推測存在的是電場，但由于當時技術(shù)的局限性，并沒有對推測加以證實。該研究不僅實現(xiàn)了定量測量，而且實驗結(jié)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(xiàn)了一個非常有趣的現(xiàn)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(xué)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(wǎng)絡(luò)。
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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)完全不同，因為它們不再被束縛在網(wǎng)絡(luò)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(zhì)影響非常大，水油界面處有四分之一的水分子表現(xiàn)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(jīng)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(yīng)用，有望對化學(xué)、環(huán)境和生物等多個領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。
在化學(xué)領(lǐng)域，催化過程通常面臨諸多挑戰(zhàn)，例如反應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)品，并且整個合成過程更加環(huán)保高效。這不僅是化學(xué)領(lǐng)域的一個重大進步，也為整個工業(yè)生產(chǎn)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(xué)時，往往忽略了水表面的性質(zhì)。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(yīng)，將為理解大氣化學(xué)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(xué)過程。
在生物領(lǐng)域，細胞膜的化學(xué)成分與油相似，也是一種類似脂肪的物質(zhì)。細胞內(nèi)的水與細胞膜接觸時，界面特性也必須被考慮在內(nèi)。
目前，人們對細胞內(nèi)部的理解還存在很多不足，比如細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)，有些現(xiàn)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(nèi)部的復(fù)雜機制具有重要意義。
盡管目前該團隊已經(jīng)觀察到水表面的一些特殊現(xiàn)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(dǎo)致其表現(xiàn)出特殊性質(zhì)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(xué)、催化、生物和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用，以確認是否能夠通過引入這一機理，為懸而未決的相關(guān)問題提供新的解決方案，從而推動相關(guān)領(lǐng)域的研究和技術(shù)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
運營/排版：何晨龍
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