水在151度不沸騰反結冰,今後電線或被水線取代?

2021-02-24 徐德文科學頻道

所有人都知道,自然界的水以三種狀態存在,固態,液態和氣態。在海拔為零的地方,低於0℃水結成冰,高於100℃,水蒸發成氣,這是萬古不變顛撲不破的真理。不過,一件意外之外的意外,卻讓這個真理有點撲朔迷離,摸不著火門了。所謂的意外,就是科學家長期以來觀察到,當水被約束在非常狹小的空間裡時,其沸點和冰點可以稍微改變一點,通常會降低大約10℃左右。麻省理工學院幾位科學家為了檢驗這個預言,準備把水放入只有幾個水分子大的碳納米管中,意外之外的意外竟然接連發生了!而更大的意外則讓他們驚得目瞪口呆,進入碳納米管的水,在攝氏100多度的時候,竟然結成了冰!

團隊的領頭人麥克·斯特諾說,把流體限制在納米腔中,可能會扭曲它的相行為,即固相、液相、氣相之間的變化可能有所不同,這種效果本來可以預期。但實驗中發現這種變化幅度的巨大及方向的反轉(凝固點升高而不是降低)卻是始料未及的,水竟然在105℃或更高的溫度下固化了。固化時的準確溫度很難測定,但在測試中105℃被認為是最小值,實際溫度可能高達151℃。進一步的測試證明,水在微小的碳納米管內變化的方式,完全取決於管的確切直徑,即使碳納米管直徑從1.05納米變化到1.06納米,水的冰點都會產生數十度的差異,這種極端的差異可以說完全意想不到。

這個發現實在太過怪異,科學家們被打了個措腦不及,對可以用它做些什麼根本就無法想像。不過由於它在室溫下穩定的電熱性能,研究人員認為,或許可利用它開發一種取代電線的「水線」,其傳導性能應該比現有材料要好得多。看來物極必反這句古話說得不錯,即使是我們非常熟悉的材料,當被捕獲在以納米(十億分之一米)為單位的結構中時,它的行為也會令人捉摸不透,甚至匪夷所思,所以都不要太過極端了。這個研究發表在2016年11月28日的自然納米技術雜誌上,過了這麼多年,竟然還沒有這種現象的具體應用,而「水線」似乎也沒有人開發,實在可說是一種遺憾。世界上又有多少科學成果就是這樣被浪費了的呢?這個可能只是九牛一毛吧。

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    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。
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