Giant Dielectric Anisotropy and Enhanced In-Plane Conductivity in Nanoconfined Water

材料科学 各向异性 电导率 电介质 凝聚态物理 电阻率和电导率 热导率 介电常数 工作(物理) 介电损耗 介电响应 复合材料 化学物理
作者
M. Neek-Amal,François Maria Peeters
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:137 (14): 146201-146201 被引量:1
标识
DOI:10.1103/cdnn-fpjx
摘要

Recent experiments revealed a strong dielectric anisotropy in nanoconfined water, with a giant in-plane dielectric constant exceeding 10^{3} and an ultralow out-of-plane response of order 2-3, far beyond the predictions of conventional continuum electrostatics. A pronounced enhancement of in-plane electrical conductivity was also observed under strong confinement. Here, we develop a unified microscopic theory showing that these anomalies arise from confinement-induced anisotropic polarization correlations in the hydrogen-bond network. Starting from linear-response theory with an exponential polarization-correlation kernel, we show that nanoconfinement selectively enhances longitudinal in-plane dipolar correlations while suppressing perpendicular fluctuations. This leads to universal scaling laws for the dielectric response, κ(h)∝ξ_{c}^{2}f(h/2ξ_{c}), and the conductivity, σ(h)∝κ(h)/h, where ξ_{c} is the confinement-enhanced dipolar correlation length. The resulting growth of in-plane correlations and suppression of out-of-plane fluctuations naturally explain the giant in-plane and ultralow out-of-plane dielectric constants, as well as the enhanced in-plane conductivity. Quantitative agreement with experiment over a broad range of channel thicknesses establishes nanoconfined water as a ferroelectriclike correlated polar fluid governed by collective dipolar fluctuations rather than simple geometric capacitance effects.
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