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“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”