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Environment

纳米棒在高湿度下释放水分

碳基结构随湿度升高可逆性地排出水分,不同于任何已知材料

by Matt Davenport
June 20, 2016 | APPEARED IN VOLUME 94, ISSUE 25

 

Credit: Nat. Nanotech.
在这位艺术家的图示中,一个水滴在纳米棒束中随着湿度增加而长大(从左至右),直到疏水作用将其蒸发。纳米棒的直径有几十纳米。 Credit: 《自然—纳米技术》,

通常情况下,向已经很潮湿的空气中加入更多的水蒸汽只能进一步增加湿度。所以最近当一种新合成的纳米材料在一台蒸汽吸收分析仪中随着湿度增加反而释放出水分的时候,Satish K. Nune 和他的同事们感到难以置信。

实时排水
在电镜拍摄的这段视频中,观察纳米棒将水凝结成水滴(以红色箭头显示),然后随着湿度增加而排出水分。 Credit: 《自然—纳米技术》/PNNL

“我们还以为自己把仪器弄坏了”,Nune 说道。他是美国太平洋西北国家实验室的一位化学家,参与了该材料的开发。后续的实验证实了该结果并不是由于仪器错误造成的。Nune 和他的同事们创造了一种新型的纳米棒,和所有自然届已知的物质都不一样的是,这种材料能够在湿度升高时产生可逆的排水效应(《自然—纳米技术》,2016, DOI:10.1038/nnano.2016.91 )。

团队成员 David J. Heldebrant说,该发现可以设计出高效率、低功耗的装置,从高湿度的容器中抽取水蒸汽,再将水分还原到容器中。

为了制作这种纳米棒,该团队将氯化铁加入由二硫化碳、1-己醇和1,8-二氮杂双环十一碳-7-烯配制而成的离子溶液中。成功合成该材料的 David Lao 说,二硫化碳的催化分解可能是造成这种结构的原因,该结构由碳、铁、硫、氧、和氮元素组成。

上述过程为什么能够产生这种对于湿度具有如此独特效应的、具有完美的化学和几何结构的纳米棒,这仍然是个谜。不过该团队对纳米棒在高湿度条件下排水的现象提出了一个理论。

Heldebrant 的解释是,纳米棒形成了一种类似于海葵的束状结构。该结构根部很紧凑,但纳米棒的顶部则像触手一样伸展开来。随着湿度增加,水开始凝结成水滴,伸展就此开始。随着湿度继续增加,水滴不断增大,通过毛细力作用将触手向内拉。最后,触手之间的距离会变得非常短,疏水作用将迫使水滴蒸发,这就是该团队的假说。

Pablo G. Debenedetti 是来自普林斯顿大学的一位化学工程师,虽然并未参与该研究,但他认为这种材料非常奇妙。他补充道,该发现及其背后的理论能够为其他新材料铺平道路,帮助管理水资源。

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