納米管水：美國阿貢國家實驗室的亞歷山大·科列斯尼科夫博士及其同事發現了水的一種新狀態，在該狀態下，即使在絕對零度時水也不會結冰。
基本介紹
- 中文名：納米管水
- 人物：亞歷山大·科列斯尼科夫博士
- 時間：2005年6月7日
- 關於：水對人類生存是不可或缺的
基本描述,產生機理,研究意義,研究歷史,試驗設計,
基本描述
據美國“sciencedaily”2005年6月7日報導：美國阿貢國家實驗室強脈衝中子源（IPNS）研究分部的物理學家們發現了水的一種的新形態，它被稱作“納米管水”，即這些分子都包含兩個氫原子和一個氧原子但是它們在接近絕對零度的溫度下也不會凍結成冰。
產生機理
和普通水不同的是，水在一條不到2納米（或二十億分之一米）單獨的碳原子壁管會形成一個結凍的水分子內壁，而一條處於近似於液態的水分子鏈可以在內壁中間流動。這種現象發生在絕對溫度8K，即零下華氏445度的條件下。在溫度上升到接近室溫的水平時，整個納米管水開始逐漸變為液態。
研究意義
納米管水從生物學家到地質學家以及材料科學家，這些研究者們對處在這種由“恐水”——排斥水材料構成的極為封閉的空間時水分子的特性十分感興趣，因為這樣的現象在大自然中存在，例如細小的根莖為植物供水，一些有關膜蛋白質的研究同樣面臨這一挑戰，其中包括控制水分子在細胞壁中流動的水通道蛋白。
美國阿貢國家實驗室的這一研究是世界上首次在納米管中進行的水試驗。“我很驚訝，” 首席科學家Alexander Kolesnikov表示，“沒有人曾經在納米管中進行過水試驗。科學家們已經做過大量的數據計算，而且由於水是很難模擬的，這一點也使這樣的試驗更加困難。”
研究歷史
“雖然幾十年來，科學家們一直在嘗試著建立水模型，”美國休斯敦大學的客座科學家Christian J. Burnham表示，“我們所獲得的僅僅是開始認識到在模型中包括正確地對氫核子運動的量子級描述。而且我們仍然在研究如何對包圍每個水分子的電荷雲進行更加精確的數學描述。”
Kolesnikov，Chun Loong， Nicolas de Souza， Pappannan Thiyagarajan 和 Jean-Marc Zanotti等幾位科學家利用強脈衝中子源來進行試驗，他們使用強脈衝中子源實驗中研究液體和固體中原子排列與運動的工具。來自工業、學術組織以及其他國家以及國際實驗室的研究人員都可以使用強脈衝中子源。
美國亞利桑那州圖森市的MER公司提供了實驗所需的納米管試樣，這種納米管由高純度碳製成，而且僅有一個原子厚。每個納米管直徑為1.4納米，長度為10000納米，這有點像一根乾燥的、200米長的義大利空心麵條，因為這種納米管的長度是直徑的7000倍。
“利用這種一維限制，” Kolesnikov稱，“我們希望能夠發現一些新的性質，但是我們什麼都沒有觀察到，相反，極不尋常的事發生了。” 發生的現象“與數量較多時的液態水或冰截然不同，” Kolesnikov說。在溫度條件為8K時，四個連線在一起的水分子在這種排斥水的碳納米管內壁中形成了一個冰襯層。在碳納米管中，這一襯層能在周圍0.32納米的空間中自由浮動，因為這接近自然條件下，水分子能夠接近碳的距離。“在襯層的中間，一條水分子鏈在內部流動，而且它與水分子大量存在的狀態下一樣，流動性較強，” Kolesnikov解釋說。
研究者們認為這種特性主要是由於分子較低的“協調數”。在液態水中，正常情況下會有3.8個氫鍵（協調數）與就近的分子連線在一起。而在結冰狀態下，四個氫鍵會與就近的分子連線在一起。而在納米管水中，水分子鏈的氫鍵只有1.86個。“因為這種較為鬆散的鍵接，水變得十分活躍而且總是處在流動狀態下，” Kolesnikov表示。納米管中的冰襯十分穩定，但是移動的鏈持續在水分子鏈的不同部分形成並打破鍵，有時也會與冰襯發生這樣的現象。
試驗設計
為了準備這一試驗，科學家們先將碳納米管試樣在水蒸氣中暴露了幾個小時，然後再烘乾去除外表的水分。這時，他們就可以在強脈衝中子源使用散射中子技術來研究這條納米管。中子是不含電荷的粒子，存在於幾乎所有的物質中。當強脈衝中子源發射出中子束並且穿過某種物質時，科學家們就能了解到這種物質的結構與動力特性。
首先，科學家們利用小角度中子衍射儀來確定水分子僅僅存在於納米管的內部。如果水分子留在納米管表面的話，它們將破壞衍射中子的實驗結果。
然後，科學家們利用其他衍射中子技術來獲得有關原子排列、無彈性與準彈性中子散射測量信息來確定水分子的運動。
接下來，利用水分子動力模擬專家Burnham開發出的模擬裝置來研究這種新狀態下的水分子在碳納米管中的特性。這種納米管試樣極小的比例給建造模擬裝置帶來了一定的優勢，比其他研究中的模擬速度更快，例如模擬研究體積大幾千倍、結構更加複雜的生物結構。 據Kolesnikov表示，另外一個優勢就是從事其他領域研究的科學家們能夠從這種一維限制中分析出水分子在這種狀態下的特性。“在非彈性散射中子試驗中，碳幾乎是不可見的，這和氫原子一樣，所以你只會看到水。生物學家能夠利用我們的研究數據來找出這種狀態下的水在他們更大更複雜的模型中會怎樣活動，” Kolesnikov解釋。
這一試驗由美國能源部基礎能源科學所資助， 研究仍在繼續。Burnham將繼續在阿貢實驗室理論學院的資助下開拓自己的經典分子動力學研究，包括利用並行計算法來研究量子效應。強脈衝中子源的研究者們計畫開始研究水分子在尺寸與膜蛋白質大小相當的碳納米管中，膜蛋白質有選擇性地輸送水分子。他們還打算研究納米管水的熱動力學特性。 Kolesnikov稱他一生都在研究水，因為“水對人類生存是不可或缺的——無論是在我們的地球上還是在其他行星系統中”。
