Refractive index of nanoconfined water reveals its anomalous physical properties

折射率 电介质 化学物理 材料科学 极化(电化学) 表面等离子共振 缩放比例 等离子体子 纳米技术 光电子学 化学 物理化学 纳米颗粒 几何学 数学
作者
Thu Hac Huong Le,Akihiro Morita,Takuo Tanaka
出处
期刊:Nanoscale horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:5 (6): 1016-1024 被引量:26
标识
DOI:10.1039/d0nh00180e
摘要

Despite extensive studies on the distinctive properties of water confined in a nanospace, the underlying mechanism and significance of the lengthscale involved in the confinement effects are still subjects of controversy. The dielectric constant and the refractive index in particular are key parameters in modeling and understanding nanoconfined water, yet experimental evidence is lacking. We report the measurement of the refractive indices of water in 10-100 nm spaces by exploiting the confinement of water and localized surface plasmons in a physicochemically well-defined nanocavity. The results revealed significantly low values and the scaling behavior of the out-of-plane refractive index n⊥ of confined water. They are attributed to the polarization suppression at the interfaces and the long-range correlation in electronic polarization facilitated by the strengthened H-bonding network. Using the refractive index as a sensing probe, we also observed anomalous stability of water structures over a wide range of temperature. Our measurement results provide essential feedback information for benchmarking water models and molecular interactions under nanoconfinement. This study also opens up a new methodology of using plasmon resonance in characterizing nanoconfined molecules and chemical reactions, and thus gives us fundamental insight into confinement effects.

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