眾所周知,在海平面上,水的沸騰溫度是212華氏度,或100攝氏度。而且科學家們早就發現,當水被存儲於非常小的空間內時,它的沸點和冰點溫度會發生一點改變,通常會下降10攝氏度左右。但現在,麻省理工學院的一個科研團隊發現了一系列意料之外的變化:在微小的空間裡——在碳納米管中,它的內部尺寸和幾個水分子的大小相當——水在非常高的溫度下(通常能夠讓它沸騰的溫度)卻凍結成了固體。
這個發現說明,當被限制在納米結構中,即使是非常熟悉的材料也可能完全改變它們的行為。該發現可能會導致新的應用,如冰填充的電線,可以利用冰電線獨特的電和熱性能,因為這種『冰』在室溫下能夠保持穩定。研究成果發表在今天出版的《自然納米技術》期刊上,論文作者是麥可 斯特拉諾,麻省理工學院化學工程教授卡本 P 杜布斯;博士後庫馬爾 阿格拉沃爾;和其他三位研究人員。
「如果你將流體限制在納米空間內,你可以完全改變它的相變行為,」斯特拉諾說,指的是如何及何時,物質在固態、液態和氣態之間進行改變。這種變化是可預計的,但是這種巨大的改變和變化的方向(提高而不是降低冰點溫度)完全出乎意料:在該團隊的一次測試中,水的冰點溫度是105攝氏度或者更高(準確的溫度很難確定,但105攝氏度被認為是本次測試中的最低值;實際溫度可能高達151攝氏度。)「這個結果出乎所有人的預料」斯特拉諾說。
事實證明,在微小的碳納米管中(完全由碳原子組成但直徑只有幾納米的蘇打水吸管的形狀),水的行為發生了改變——關鍵取決於納米管的直徑。「這是你能想到的最小管直徑,」斯特拉諾說。在實驗中,納米管的兩端是開放的,每一端都與儲水池連接。研究人員發現,1.05納米和1.06納米這點尺寸差別的納米管,都會出現幾十度的、明顯的冰點差異。「只是微小的改變,就讓一切變得不同,」斯特拉諾說。「這真是一個未知的空間」。
在之前的研究中,當被限制在如此小的空間內,了解水和其它流體的行為如何改變時,「一些模擬會出現矛盾的結果,」他說。其中一部分原因是,許多團隊沒有精確地測量碳納米管的尺寸,沒有意識到這種微小的尺寸差異可能會產生如此不同的結果。實際上,水也會進入納米管中,這很令人驚訝,斯特拉諾說:碳納米管被認為是疏水性,因此水分子應當很難進入其內部。但水確實能夠進入,這仍然是一個未解之謎,他說。
斯特拉諾和他的團隊利用高敏感度的成像系統,利用振動光譜技術,跟蹤水在碳納米管中的運動,從而首次精準測量到了水的行為。研究團隊不僅檢測到了水在碳納米管中的存在,而且也發現了它的相態變化,他說:「我們能夠判斷出它是氣態或液態,我們也可以判斷它是否處於固態。」水進入固態的時候,該團隊沒有稱之為「冰」,因為這個詞意味著一種特定的晶體結構,水在納米管中還沒有呈現出這種狀態。「它不是真正的冰,而是與冰類似的相態,」斯特拉諾說,在超過水的正常沸點溫度下,這種固態水也沒有融化,因此,在室溫條件下,它應該能夠保持穩定。這種特性使得它具有廣闊的應用前景,他說。