科学家发现水在纳米尺度空间中的奇特行为，或将带来新应用

但现在，麻省理工学院的一个研究小组发现了一个完全出乎意料的变化：在一个由碳纳米管构成的密闭空间内，其大小只有几个水分子，水可以在通常导致其沸腾的温度下保持固态。

这项发现表明，即使是非常普通的材料，在纳米级（即十亿分之一米）的结构中也会出现剧烈的变化。这项发现可能会带来新的应用水的沸点是多少度，例如在室温下保持稳定同时保留冰独特的电学和热学性质的“冰丝”。

该项研究成果近日发表在《自然纳米技术》（ ）（），文章作者为麻省理工学院P. Dubbs教授Max （）、博士后研究员Kumar （Kumar）以及其他三名同事。

“如果你将液体限制在纳米腔中，你实际上可以改变它的相行为，”斯特拉诺说，即物质在固相、液相和气相之间变化的方式和时间。这种效果并不令人惊讶，但发现的变化幅度和方向（凝固点上升而不是下降）完全出乎意料：在该团队的一项测试中，水在 105°C 及以上仍保持固态。（纳米管中的确切温度很难确定，但在这次测试中至少是 105°C，可能高达 151°C。）

斯特拉诺说：“效果远远超出了任何人的预期。”

事实证明，水在微小碳纳米管内的行为方式很大程度上取决于纳米管的确切直径。这些纳米管的结构类似于吸管，完全由碳原子组成，但直径只有几纳米。“这些真的是你能想象到的最小的管道，”斯特拉诺说。实验中使用的纳米管两端都是开口的，每个开口处都有水储存器。

研究人员发现，即便是直径为 1.05 纳米和 1.06 纳米的纳米管，其凝固点也有数十度的差异。这种极端差异以前是完全出乎意料的。斯特拉诺说：“当尺寸足够小时，所有的猜测都消失了。这确实是一个未开发的领域。”

斯特拉诺表示，在早期研究中，为了了解水和其他液体在如此小的空间内的行为，“许多早期的模拟最终都得到了完全矛盾的结果。”部分原因是许多研究团队难以测量碳纳米管的确切尺寸，他们没有意识到尺寸上的微小差异可能会导致截然不同的结果。

事实上，最令人吃惊的是水居然可以进入这些微小的管子。斯特拉诺说，碳纳米管通常被认为是疏水性的，或者说是防水的，所以从理论上讲，水分子应该很难进入它们。他说，水居然可以进入碳纳米管还是有点奇怪的。

斯特拉诺和他的团队使用一种名为振动光谱的超灵敏成像系统来追踪纳米管内部水的运动，从而首次详细测量了其行为。

研究小组不仅能够检测到纳米管中水的存在，还能检测到水的物理状态。“我们可以判断水是气态、液态还是固态，”他说。尽管水在某些条件下必须以固态存在，但研究小组避免将这种水状态称为“冰”，因为这个术语意味着水具有某种晶体结构，但他们不确定这种结构是否能存在于如此狭小的空间中。“它不一定是冰，但它是一种类似冰的状态，”斯特拉诺指出。

由于固态水要到远高于其正常沸点时才会融化，因此它在室温下应该非常稳定。斯特拉诺说，这一特性使其具有许多潜在的应用。例如，冰丝可以用作最知名的质子载体，因为水传导质子的速度比许多典型的导电材料快 10 倍以上。“我们在室温下拥有非常稳定的水丝，”他说。

研究团队还包括麻省理工学院研究生 和 Lee ，以及本科生 。这项研究得到了美国陆军研究实验室、美国陆军研究办公室支持的麻省理工学院士兵纳米技术研究所以及壳牌麻省理工学院能源计划能源研究基金的支持。