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在碳纳米管中,水在沸点下会变成固态

 

众所周知,在海平面上,水的沸腾温度是212华氏度,或100摄氏度。而且科学家们早就发现,当水被存储于非常小的空间内时,它的沸点和冰点温度会发生一点改变,通常会下降10摄氏度左右。

但现在,麻省理工学院的一个科研团队发现了一系列意料之外的变化:在微小的空间里——在碳纳米管中,它的内部尺寸和几个水分子的大小相当——水在非常高的温度下(通常能够让它沸腾的温度)却冻结成了固体。

这个发现说明,当被限制在纳米结构中,即使是非常熟悉的材料也可能完全改变它们的行为。该发现可能会导致新的应用,如冰填充的电线,可以利用冰电线独特的电和热性能,因为这种‘冰’在室温下能够保持稳定。

研究成果发表在今天出版的《自然纳米技术》期刊上,论文作者是迈克尔 斯特拉诺,麻省理工学院化学工程教授卡本 P 杜布斯;博士后库马尔 阿格拉沃尔;和其他三位研究人员。

“如果你将流体限制在纳米空间内,你可以完全改变它的相变行为,”斯特拉诺说,指的是如何及何时,物质在固态、液态和气态之间进行改变。这种变化是可预计的,但是这种巨大的改变和变化的方向(提高而不是降低冰点温度)完全出乎意料:在该团队的一次测试中,水的冰点温度是105摄氏度或者更高(准确的温度很难确定,但105摄氏度被认为是本次测试中的最低值;实际温度可能高达151摄氏度。)

“这个结果出乎所有人的预料”斯特拉诺说。

事实证明,在微小的碳纳米管中(完全由碳原子组成但直径只有几纳米的苏打水吸管的形状),水的行为发生了改变——关键取决于纳米管的直径。“这是你能想到的最小管直径,”斯特拉诺说。在实验中,纳米管的两端是开放的,每一端都与储水池连接。

研究人员发现,1.05纳米和1.06纳米这点尺寸差别的纳米管,都会出现几十度的、明显的冰点差异。“只是微小的改变,就让一切变得不同,”斯特拉诺说。“这真是一个未知的空间。”

在之前的研究中,当被限制在如此小的空间内,了解水和其它流体的行为如何改变时,“一些模拟会出现矛盾的结果,”他说。其中一部分原因是,许多团队没有精确地测量碳纳米管的尺寸,没有意识到这种微小的尺寸差异可能会产生如此不同的结果。

实际上,水也会进入纳米管中,这很令人惊讶,斯特拉诺说:碳纳米管被认为是疏水性,因此水分子应当很难进入其内部。但水确实能够进入,这仍然是一个未解之谜,他说。

斯特拉诺和他的团队利用高敏感度的成像系统,利用振动光谱技术,跟踪水在碳纳米管中的运动,从而首次精准测量到了水的行为。

研究团队不仅检测到了水在碳纳米管中的存在,而且也发现了它的相态变化,他说:“我们能够判断出它是气态或液态,我们也可以判断它是否处于固态。”水进入固态的时候,该团队没有称之为“冰”,因为这个词意味着一种特定的晶体结构,水在纳米管中还没有呈现出这种状态。“它不是真正的冰,而是与冰类似的相态,”斯特拉诺说,在超过水的正常沸点温度下,这种固态水也没有融化,因此,在室温条件下,它应该能够保持稳定。这种特性使得它具有广阔的应用前景,他说。

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