Forskere opdager forbløffende adfærd af vand indespærret i kulstof nanorør

Det er et velkendt faktum, at vand, ved havoverfladen, begynder at koge ved en temperatur på 212 grader Fahrenheit, eller 100 grader Celsius. Og forskere har længe observeret, at når vand er begrænset i meget små rum, dets koge- og frysepunkter kan ændre sig en smule, normalt falde med omkring 10 C eller deromkring.

Men nu, et team på MIT har fundet et helt uventet sæt ændringer:Inde i de mindste rum - i carbon nanorør, hvis indre dimensioner ikke er meget større end et par vandmolekyler - kan vand fryse fast selv ved høje temperaturer, der normalt ville få det til at koge.

Opdagelsen illustrerer, hvordan selv meget velkendte materialer drastisk kan ændre deres adfærd, når de er fanget inde i strukturer målt i nanometer, eller milliardtedele af en meter. Og opdagelsen kan føre til nye applikationer – som f.eks. i det væsentlige, isfyldte ledninger - der drager fordel af isens unikke elektriske og termiske egenskaber, mens de forbliver stabile ved stuetemperatur.

Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , i et papir af Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT; postdoc Kumar Agrawal; og tre andre.

"Hvis du begrænser en væske til et nanohulrum, du kan faktisk forvrænge dens faseadfærd, "Strano siger, refererer til hvordan og hvornår stoffet skifter mellem fast stof, væske, og gasfaser. Sådanne effekter var forventet, men forandringens enorme omfang, og dens retning (forhøjelse i stedet for at sænke frysepunktet), var en komplet overraskelse:I en af ​​holdets tests, vandet størknet ved en temperatur på 105 C eller mere. (Den nøjagtige temperatur er svær at bestemme, men 105 C blev betragtet som minimumsværdien i denne test; den faktiske temperatur kunne have været så høj som 151 C.)

"Effekten er meget større, end nogen havde regnet med, " siger Strano.

Det viser sig, at måden vandets adfærd ændrer sig inde i de små kulstofnanorør - strukturerer formen af ​​et sodavandsstrå, udelukkende lavet af kulstofatomer, men kun få nanometer i diameter - afhænger i høj grad af rørenes nøjagtige diameter. "Dette er virkelig de mindste rør, du kunne tænke på, " siger Strano. I eksperimenterne, nanorørene blev efterladt åbne i begge ender, med reservoirer af vand ved hver åbning.

Selv forskellen mellem nanorør på 1,05 nanometer og 1,06 nanometer på tværs gjorde en forskel på titusinder af grader i det tilsyneladende frysepunkt, fandt forskerne. Sådanne ekstreme forskelle var fuldstændig uventede. "Alle væddemål er slået fra, når du bliver rigtig lille, " siger Strano. "Det er virkelig et uudforsket rum."

I tidligere forsøg på at forstå, hvordan vand og andre væsker ville opføre sig, når de var begrænset til så små rum, "der var nogle simuleringer, der viste virkelig modstridende resultater, " siger han. En del af grunden til det er, at mange hold ikke var i stand til at måle de nøjagtige størrelser af deres kulstofnanorør så præcist, ikke indse, at så små forskelle kunne give så forskellige resultater.

Faktisk, det er overraskende, at vand overhovedet trænger ind i disse små rør i første omgang, Strano siger:Carbon nanorør menes at være hydrofobe, eller vandafvisende, så vandmolekyler burde have svært ved at komme ind. Det faktum, at de får adgang, forbliver lidt af et mysterium, han siger.

Strano og hans team brugte meget følsomme billedsystemer, ved hjælp af en teknik kaldet vibrationsspektroskopi, der kunne spore vandets bevægelse inde i nanorørene, hvilket gør dens adfærd genstand for detaljeret måling for første gang.

Holdet kan ikke kun registrere tilstedeværelsen af ​​vand i røret, men også dens fase, han siger:"Vi kan se, om det er damp eller væske, og vi kan se, om det er i en stiv fase. "Selvom vandet helt sikkert går ind i en fast fase, holdet undgår at kalde det "is", fordi det udtryk antyder en vis form for krystallinsk struktur, som de endnu ikke har kunnet vise endegyldigt, eksisterer i disse trange rum. "Det er ikke nødvendigvis is, men det er en is-lignende fase, "Siger Strano.

Fordi dette faste vand ikke smelter før et godt stykke over det normale kogepunkt for vand, det bør forblive perfekt stabilt på ubestemt tid under stuetemperaturforhold. Det gør det potentielt til et nyttigt materiale til en række forskellige applikationer, han siger. For eksempel, det burde være muligt at lave "is-tråde", der ville være blandt de bedste bærere kendt for protoner, fordi vand leder protoner mindst 10 gange lettere end typiske ledende materialer. "Dette giver os meget stabile vandledninger, ved stuetemperatur, " han siger.