众所周知，处于海平面的水在100摄氏度（或212华氏度）时开始沸腾。与此同时，科学家们早就发现，当水被局限于一个非常小的空间中时，其沸点与凝固点会发生一定的改变，大约会下降10摄氏度左右。
但是现在，来自麻省理工学院的研究团队发现了一个完全意想不到的变化：在一个由碳纳米管构成，尺寸仅相当于数个水分子大小的狭小的空间之内，水在通常能让其沸腾的高温下仍然能够保持固态。
该发现表明，即使是非常普通的材料，当被束缚于纳米尺度（即十亿分之一米）的结构中时，它们的行为将发生急剧的变化。这一发现将有可能带来新的应用，比如说，能够在室温下稳定存在，同时又能保持冰独特的电性能与热性能的“冰丝”。
该研究结果发表于近日出版的《自然纳米科技》（Nature Nanotechnology）杂志上。文章的作者为麻省理工学院Carbon P.Dubbs讲席教授麦克斯特拉诺（Michael Strano），博士后库玛阿格拉瓦（Kumar Agrawal）以及其他三名同事。
斯特拉诺说道，“如果你将液体限制在纳米腔中，你事实上可以改变它的相变行为”，即某种物质如何以及何时在固相，液相和气相之间发生相互转化。这样的效应并不让人意外，但是该研究发现的巨大的变化幅度及其方向（即凝固点升高而不是降低）则完全出乎了研究人员的意料：在研究团队的一次测试中，水在105℃以及更高的温度仍然保持固态。（碳纳米管中准确的温度很难确定，但在该测试中温度至少在105℃以上，而实际温度可能高达151℃。）
“这一效果远远超过了所有人的预期，”斯特拉诺说。
事实证明，水在微小的碳纳米管内变化的方式很大程度上取决于纳米管的确切直径。这些纳米管的结构与吸管类似，其完全由碳原子组成，但直径只有几个纳米。“这些真的是你能够想到的最小的管道”斯特拉诺说。实验中所使用的纳米管两端均是开放的，并且在两端开口处都拥有贮水池。
研究人员发现，即使直径分别为1.05纳米和1.06纳米的纳米管在凝固点上都具有数十度的差异。这种极端的差异是之前完全意想不到的。斯特拉诺说，“当尺寸足够小时，所有的猜测都失效了，这真的是一个尚未开发的领域。”
在早期的工作中，为了理解水和其他液体限制在这样的小空间中的行为时，斯特拉诺提到，“不少早期的模拟最终得到了完全相互矛盾的结果”。部分原因是因为之前许多研究团队无法精确测量其碳纳米管的确切尺寸，同时他们没有意识到尺寸上的微小差异可能会带来截然不同的结果。
事实上，最让人惊讶之处在于，水竟然能够进入这些微小的管道之中。斯特拉诺说：碳纳米管通常被认为是疏水的，或者说斥水的，所以理论上说，水分子应该很难进入其中。他说，水真的能够进入碳纳米管道这一现象仍然有点奇怪。
斯特拉诺和他的团队使用了一种称为振动光谱技术的超敏感成像系统，可以跟踪纳米管内部水的运动，从而首次实现了对其行为的详细测量。
研究团队不仅可以检测到碳纳米管中是否有水的存在，而且还可以检测水的物态。他说：“我们可以判断水是以气态，液态或者是固态的形式存在于碳纳米管中”。虽然在一定条件下，水一定会以固态形式存在，研究团队极力避免将这种状态的水称为“冰”，因为该名词意味着水具有某种特定的结晶结构，然而它们还不能确定这种结构能够在如此有限的空间中存在。斯特拉诺指出，“这不一定是冰，但它是一个类似于冰的状态，”
由于这种固体的水直到远高于水的正常沸点的温度才会熔化，因此在室温条件下这种水应该十分稳定。斯特拉诺说，这一性质使得它拥有许多潜在的应用。例如，“冰丝”可能可以用作已知的最佳质子载体，因为相比与许多典型的导电材料，水通导质子的速度快了10倍以上。他说，“我们由此得到了在室温下非常稳定的水线”
研究团队还包括麻省理工学院研究生史蒂芬·清水（Steven Shimizu）和李·德拉忽史克（Lee Drahushuk），以及本科生丹尼尔·基尔科因（Daniel Kilcoyne）。该项工作得到了美国陆军研究实验室，美国陆军研究办公室支持的麻省理工学院士兵纳米技术研究院和壳牌麻省理工学院能源倡议能源研究基金会的支持。
来源：Deep深科技
编辑：Lixy
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
1. 如果再读一次研究生
2. 13张图，带你认识大学各专业
3. 你以为你很懂水？
4. 拿过奥运会奖牌的数学家，数学博士答辩时却坐满了他的球迷
5. 磁场的本质是什么？|No.32
6. 广义相对论和狭义相对论的根本区别 |No.31
7. 物理天才马约拉纳消失之谜
8. 研究量子场论的 也许是这个星球上最聪明的一群人
9. 他是中科院超牛的物理学者，更是摇滚界无人不知的“李白”
10. “逗妹纸”的16种用法 | 线上科学日
点此查看以往全部热门文章
