讓水在 100 ℃ 保持固態，碳納米管做到了！

眾所周知，處于海平面的水在 100 ℃（=212 ℉）時開始沸騰。與此同時，科學家們早就發現，當水被局限於一個非常小的空間中時，其沸點與凝固點會發生一定的改變，大約會下降 10 ℃ 左右。

但是現在，來自麻省理工學院的研究團隊發現了一個完全意想不到的變化：在一個由碳納米管構成，尺寸僅相當於數個水分子大小的狹小的空間之內，水在通常能讓其沸騰的高溫下仍然能夠保持固態。

該發現表明，即使是非常普通的材料，當被束縛於納米尺度（即十億分之一米）的結構中時，它們的行為將發生急劇的變化。這一發現將有可能帶來新的應用，比如說，能夠在室溫下穩定存在，同時又能保持冰獨特的電性能與熱性能的「冰絲」。

該研究結果發表於近日出版的《自然納米科技》（Nature Nanotechnology）雜誌上。文章的作者為麻省理工學院 Carbon P. Dubbs 講席教授麥克斯特拉諾（Michael Strano），博士後庫瑪阿格拉瓦（Kumar Agrawal）以及其他三名同事。

斯特拉諾說道，「如果你將液體限制在納米腔中，你事實上可以改變它的相變行為」，即某種物質如何以及何時在固相，液相和氣相之間發生相互轉化。這樣的效應並不讓人意外，但是該研究發現的巨大的變化幅度及其方向（即凝固點升高而不是降低）則完全出乎了研究人員的意料：在研究團隊的一次測試中，水在 105℃ 以及更高的溫度仍然保持固態。（碳納米管中準確的溫度很難確定，但在該測試中溫度至少在 105℃ 以上，而實際溫度可能高達 151℃ 。）

「這一效果遠遠超過了所有人的預期，」斯特拉諾說。

事實證明，水在微小的碳納米管內變化的方式很大程度上取決於納米管的確切直徑。這些納米管的結構與吸管類似，其完全由碳原子組成，但直徑只有幾個納米。「這些真的是你能夠想到的最小的管道」，斯特拉諾說。實驗中所使用的納米管兩端均是開放的，並且在兩端開口處都擁有貯水池。

研究人員發現，即使直徑分別為 1.05 nm 和 1.06 nm 的納米管在凝固點上都具有數十度的差異。這種極端的差異是之前完全意想不到的。斯特拉諾說，「當尺寸足夠小時，所有的猜測都失效了，這真的是一個尚未開發的領域。」

在早期的工作中，為了理解水和其他液體限制在這樣的小空間中的行為時，斯特拉諾提到，「不少早期的模擬最終得到了完全相互矛盾的結果」。部分原因是因為之前許多研究團隊無法精確測量其碳納米管的確切尺寸，同時他們沒有意識到尺寸上的微小差異可能會帶來截然不同的結果。

事實上，最讓人驚訝之處在於，水竟然能夠進入這些微小的管道之中。斯特拉諾說：碳納米管通常被認為是疏水的，或者說斥水的，所以理論上說，水分子應該很難進入其中。他說，水真的能夠進入碳納米管道這一現象仍然有點奇怪。

斯特拉諾和他的團隊使用了一種稱為振動光譜技術的超敏感成像系統，可以跟蹤納米管內部水的運動，從而首次實現了對其行為的詳細測量。

研究團隊不僅可以檢測到碳納米管中是否有水的存在，而且還可以檢測水的物態。他說：「我們可以判斷水是以氣態，液態或者是固態的形式存在於碳納米管中」。雖然在一定條件下，水一定會以固態形式存在，研究團隊極力避免將這種狀態的水稱為「冰」，因為該名詞意味著水具有某種特定的結晶結構，然而它們還不能確定這種結構能夠在如此有限的空間中存在。斯特拉諾指出，「這不一定是冰，但它是一個類似於冰的狀態。」

由於這種固體的水直到遠高於水的正常沸點的溫度才會熔化，因此在室溫條件下這種水應該十分穩定。斯特拉諾說，這一性質使得它擁有許多潛在的應用。例如，「冰絲」可能可以用作已知的最佳質子載體，因為相比與許多典型的導電材料，水通導質子的速度快了 10 倍以上。他說，「我們由此得到了在室溫下非常穩定的水線。」

研究團隊還包括麻省理工學院研究生史蒂芬·清水（Steven Shimizu）和李·德拉忽史克（Lee Drahushuk），以及本科生丹尼爾·基爾科因（Daniel Kilcoyne）。該項工作得到了美國陸軍研究實驗室，美國陸軍研究辦公室支持的麻省理工學院士兵納米技術研究院和殼牌麻省理工學院能源倡議能源研究基金會的支持。

【來源】Deep深科技
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