点评 | 张新星
（南开大学）
水在疏水界面处的行为是困扰科学家上百年的基础科学问题，涉及化学、生物学、材料学、地质学、气象学和工程学等多个领域。近年来发现的水微滴上的奇妙化学和接触电催化就明显跟界面水有关。
2025年3月19日，来自哥伦比亚大学
闵玮
教授团队与加州大学伯克利分校
Teresa Head-Gordon
教授团队在
Nature
上发表了文章
Water structure and electric fields at the interface of oil droplets
（油滴界面处的水结构与电场）
。该研究
系统揭示了油-水介观界面水分子的微观无序结构及其伴随的超强静电场效应，在光谱观测技术上破解了困扰学界三十余年的困局，挑战了传统教科书中对疏水界面"惰性"属性的固有认知，为化学催化、生物医药、绿色能源，环境工程等领域开辟了新的思路。
物理化学界在过去三十余年间一直使用和频生成光谱
（SFG）
技术来研究界面水，但此法有诸多固有缺陷，以至于对界面水的行为一直存在争论。闵玮团队大胆摒弃了SFG,开创性地将高分辨率拉曼光谱与多元曲线分解算法
（Raman-MCR）
相结合——通过将光谱信号以极高的信噪比分解为溶剂本底与溶质相关
（SC）
成分，首次实现了对油-水乳液体系中仅纳米厚界面层的精准测量。
图1
实验数据显示
（图1）
，油滴界面处3250 cm⁻¹的OH伸缩振动特征肩峰几乎完全消失。该峰位通常对应强氢键网络与高度有序的水分子四面体结构，其消失直接证明界面水呈现显著无序化。分子动力学模拟进一步证实，界面处约25%的水分子存在未成键的"自由"悬挂OH基团。这种结构特征与经典疏水界面理论预测的"类冰有序层"形成鲜明对比。
研究中最具冲击力的发现来自对界面静电场的定量测量。通过分析自由OH键3575 cm⁻¹的共振红移现象，团队计算出油滴界面存在40-90 MV/cm的极端静电场，其强度甚至接近生物酶活性位点的典型电场强度
（约100 MV/cm）
。这种超强电场被发现与油滴表面ζ电位直接相关。油滴带电是一个普遍存在的物理现象，其机理可能与摩擦起电有关。当研究人员调节将油滴ζ电位从-60 mV降至-20 mV时，红移量随之减少，证实电荷分布是电场产生的核心机制。尽管具体分子起源仍需深入探索，现有证据指向界面氢氧根吸附、油-水电荷转移等多重因素的协同作用。
研究团队通过过渡态理论计算揭示了强电场的化学催化机制：当反应物与过渡态存在偶极矩差异时，该电场可使活化自由能降低约4.8 kcal/mol，相当于在室温下将反应速率提升3000倍以上。这
为近年备受关注的水微滴化学
（反应加速达10
3
-10⁶倍）
提供了关键理论支撑，也解释了接触电催化中无需催化剂的氧化还原反应特性。
更深远的影响在于学科交叉领域：无序界面结构及强电场效应可能重塑对蛋白质沉积，生物大分子聚集体，细胞膜相互作用等生物过程的理解，也或将革新摩擦电纳米发电机，大气气溶胶成核、水净化，石油污染修复等技术。
闵玮、Head-Gordon、施立雪
（前闵玮课题组博士后，现复旦大学生物医学研究院研究员）
为该论文共同通讯作者，施立雪与Allen LaCour博士为该论文第一作者，钱乃馨，Joseph Heindel，郎小琦和赵若淇博士也做了重要贡献。
张新星
（南开大学，）
微液滴化学近年来发展迅速。许多原本在体相水溶液中难以进行的化学反应，在微液滴中可以自发发生；许多在体相水溶液中速率慢的反应，在微液滴中可以大大加速。这些现象来源于微液滴的一系列独特性质，如液滴表面极端的pH值，液滴表面反应物种的部分溶剂化、富集和统一取向排列，液滴表面自发生成的超高电场等。在这些性质中，最吸引人的是其自发形成的超高电场 (~10E9 V/m)，它被认为是微液滴产生很多其他特殊性质的根本原因。
然而，正如该篇论文指出的，学界对于该电场还存在争议，争议的根本原因是现存实验技术和理论手段的局限性。在本文中，作者们采用了state-of-the-art的实验技术，即Raman-MCR
（拉曼-多元曲线分解把光谱建模为纯水光谱+溶质光谱）
光谱技术，结合单体场理论模型，探测了油-水乳液界面的水结构与电场效应，指出在水油界面的水分子有大量自由的
（未形成氢键的）
羟基，并由此产生了50–90 MV cm
−1
的电场。
我们课题组在微液滴化学探索多年，我个人认为：
1、液滴表面的电场；2、产生液滴的方法（超声、喷雾）是否将液滴活化；3、各场景下到底是哪个界面（气液界面、水油界面、固液界面）在起作用？是微液滴化学现存的三大问题。我们近期的两篇JACS工作在尝试解决第2和第3个问题，而该论文解决了第1个、也是最重要的问题。因此我认为，这篇Nature论文可以被视为该领域“基础设施建设”地位的里程碑性论文。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08702-y
制版人： 十一
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