如何在+ 151°C的温度下取冰

单壁纳米管内部的四边形，五边形和七边形纳米线的结构。蓝色和红色的球分别对应于氧和氢原子。资料来源：2008年的模拟结果

长期以来，水的异常性质一直是科学家们研究的重点。十年前，事实证明，在直径小于2.5 nm的纳米管内部，水不会冻结，但即使在接近绝对零温度（−273.15°C）的情况下，水仍会继续流动。奇数不止于此。

具有碳纳米管内部聚集状态变化的水的相变显然不符合热力学的标准理论。这不仅适用于冰点，而且适用于沸点。众所周知，在正常大气压下，水的沸点约为100℃。随着水箱中压力的增加，沸腾温度也会升高-压力锅使用此原理来更快地烹饪食物。相反，可以通过降低压力来降低水的沸点。例如，在海拔5公里的山区，由于某些大气压较低，水的沸点仅为83°C，因此无法烹饪某些产品。

科学家还知道，水的相变温度还取决于容器的形状和大小。如果压力保持恒定，则可以使用容器的体积将沸点或凝固点移动约10°C。但是在碳纳米管中，事情变得完全相反。如上所述，水在接近绝对零的温度下保持液态。现在，麻省理工学院（MIT）的科学家已经详细研究了另一个有趣的现象-在高温下水应在正常条件下蒸发时，相转变为固态（冰纳米管）。

这种现象是在2001年发现的。一群日本和美国科学家。冰纳米管特别受关注，因为它们在高温下形成，可用于各种电子纳米设备，包括气体纳米涡轮，流量纳米传感器和高通量膜。此外，水在远高于0°C的温度下冻结成冰纳米管的能力使在传热系统中使用冰纳米管成为可能。获得了这种用途的实验证实，但是尚未知道和研究在室温及更高温度下水固化所必需的碳纳米管的确切尺寸和参数。

迄今为止，大多数与碳纳米管中水的相变有关的实验仅限于在计算机上模拟分子动力学，而不是实际的物理实验。模拟的结果表明，水的性质很大程度上取决于碳纳米管的直径。例如，在直径为0.8-1.0 nm的孔中，水在蒸汽状态下能很好地稳定下来，并且在直径为1.1至1.2 nm的管子之间的某个地方，模拟显示出以冰的形式（即固态）的稳定作用。然后，随着直径增加超过1.4 nm，再次以液体形式发生稳定化。所有这些都是非常有趣的-因此，麻省理工学院开发了一种物理实验方法，以测试直径为1.05至1.52 nm的单壁和双壁碳纳米管中水的性质。实验的作者还开发了一种使用拉曼光谱法（径向振动，RBM）监测纳米管中水的技术。


一种用于生长纳米管并向其中填充水的实验装置（为什么疏水性纳米管会在内部通过水-科学家们也无法完全理解）；用于实验的单层和双层纳米管的计算机模型；拉曼光谱的结果

实验表明，在某些直径的纳米管中，水在高于100°C的温度下会进入固态聚集状态。记录的最大相变温度为105°C至151°C（无法精确测量），单壁纳米管直径为1.05 nm。这比理论预测的要高得多。。在某些情况下，实际的凝固点比理论上的预测高了近100°C。实验首先是在真实的实验室条件下进行的，事实证明这并非徒劳。没有人期望直径为1.05和1.06 nm的纳米管中水的特性有如此大的差异。


图中的蓝色表示水的固态，绿色表示液体的状态，红色表示空的纳米管（干燥状态）

。通过凝固点后，科学家降低了温度并将水恢复为液态，证明了该过程的可逆性。在直径为1.06 nm的纳米管中，冰在87–117°的温度下融化；在1.44和1.52 nm的纳米管中，凝固点分别在15–49°和3–30°之间。

Nan ice具有有趣的电和热特性组合。工程师和设计人员可能会对在高达+ 151°C的温度下不融化的冰的存在感兴趣。在室温下，这种冰将是绝对稳定的，它可以用作电子设备和其他设备（水是科学上已知的最好的质子导体之一）中的导线，它们不会加热到+ 151°C，否则该导体会融化。

该科研成果已于2016年11月28日发表在《自然纳米技术》杂志上（doi：10.1038 / nnano.2016.254，pdf）。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN399679/