科學家發現反物理現象, 水加熱到105℃反而會結冰

2021-02-24 化學人生

水是生命之源，在地球上有著舉足輕重的地位，地球上71%面積是海水，人體中水分也佔到了60%-70%，在一個標準大氣壓下，水的熔點是0℃，沸點是100℃，超過100℃水就會氣化，關於水的特性我們早已熟知。但是科學家發現了水的一個反物理特性，水在105攝氏度的高溫下竟然會結冰，這個結果也讓很多學者跌破了眼鏡。

當科學家把碳納米管浸入含有水的容器中時，發現了幾個的水分子可以鑽入納米管中，當加熱碳納米管時，內部的水分子呈現出反常的物理特性，竟然結冰堵住了納米管！科學團隊利用振動光譜成像技術觀察了水分子在內部的運動情況，發現這種「冰」的結構和一般的冰不同，是水分子與碳納米管之間形成的一種特殊的晶體結構，這裡我們也把它稱之為冰。

並且不同直徑的碳納米管，水的結冰溫度都不同。納米管的直徑越小，水分子變成冰柱所需要的溫度就越高。當科學家把單個水分子（直徑大約是0.4納米左右），放入直徑只有1.05納米的碳納米管中時，水會在105度結冰，而當碳納米管的直徑變成了2納米時，水分子居然在零下83攝氏度才會結冰。碳納米管的直徑哪怕只相差0.1納米，水的結冰溫度都會相差20攝氏度。

或許我們可以類比成宏觀和微觀世界微粒的特性，就像物理學中牛頓的經典力學只適用於宏觀低速的狀態，而在微觀世界就不再適用，而是有另一套物理體系。水分子的這種神奇特性也讓科學家難以解釋。

為了在現實中得到應用，美國阿貢國家實驗室的Alexander Kolesnikov教授和他的團隊利用強脈衝中子源來進行試驗，並且改進了碳納米管的結構，讓水分子在碳納米管內永遠不會結冰，即使是在絕對零度，零下273.15攝氏度都不會結冰。不管是哪種碳納米管的結構，只要能夠廣泛應用於飛機和航天材料都是百利而無一害。

飛機在高空的低溫環境下飛行，經常會面臨結冰的問題，飛機引擎和機身外殼如果能使用碳納米管制造的材料，不僅可以減輕機身重量，提高穩固性，還可以抵抗低溫環境，減少損耗。

科學家欲通過控制碳納米管的結構和直徑大小來控制水分子的冰點，載人火箭發射到回歸地球的過程中，必定過經歷外殼高溫的情況，可以在航天材料中混合直徑1.05納米的碳納米管，溫度超過105攝氏度就會和空氣中少量的水分子一起結冰，以此來降低抵消外殼的高溫，大大增加安全性。

（來源：冷科普  版權屬原作者  謹致謝意）

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