In-plane dielectric constant and conductivity of confined water

电介质 电导率 常量(计算机编程) 材料科学 平面(几何) 凝聚态物理 物理 几何学 数学 光电子学 计算机科学 量子力学 程序设计语言
作者
Bing‐Zhong Wang,M. Souilamas,Ali Esfandiar,Rene Fabregas,Simone Benaglia,H. Nevison-Andrews,Qian Yang,J. Normansell,Pablo Ares,Giorgio Ferrari,Alessandro Principi,A. K. Geǐm,Laura Fumagalli
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:6
标识
DOI:10.48550/arxiv.2407.21538
摘要

Water is essential for almost every aspect of life on our planet and, unsurprisingly, its properties have been studied in great detail. However, disproportionately little remains known about the electrical properties of interfacial and strongly confined water where its structure deviates from that of bulk water, becoming distinctly layered. The structural change is expected to affect water's conductivity and particularly its polarizability, which in turn modifies intermolecular forces that play a crucial role in many physical and chemical processes. Here we use scanning dielectric microscopy to probe the in-plane electrical properties of water confined between atomically flat surfaces separated by distances down to 1 nm. For confinement exceeding a few nm, water exhibits an in-plane dielectric constant close to that of bulk water and its proton conductivity is notably enhanced, gradually increasing with decreasing water thickness. This trend abruptly changes when the confined water becomes only a few molecules thick. Its in-plane dielectric constant reaches giant, ferroelectric-like values of about 1,000 whereas the conductivity peaks at a few S/m, close to values characteristic of superionic liquids. We attribute the enhancement to strongly disordered hydrogen bonding induced by the few-layer confinement, which facilitates both easier in-plane polarization of molecular dipoles and faster proton exchange. This insight into the electrical properties of nanoconfined water is important for understanding many phenomena that occur at aqueous interfaces and in nanoscale pores.
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