科学家确定水在-70°C凝固点的新基准

科学家们发现了水奇怪而奇妙的行为的另一个令人惊讶的方面 - 这次是在零下温度下受到纳米级限制时。

70月12日发表在《自然》杂志上的结晶物质在低至-<>°C的温度下很容易放弃水分的发现，对开发旨在从大气中提取水的材料具有重大意义。

斯泰伦博斯大学(SU)的超分子化学家团队，由Alan Eaby博士，Catharine Esterhuysen教授和Len Barbour教授组成，在试图了解一种晶体的特殊行为时做出了这一发现，这种晶体大约十年前首次引起了他们的兴趣。

“科学家们目前擅长设计可以吸收水分的材料，”Barbour解释说。“然而，要让这些材料(我们称之为'水合物')释放水而不必以热量的形式提供能量要困难得多。众所周知，能源价格昂贵，很少是完全'绿色'的。

所讨论的化合物最初是由波兰密茨凯维奇大学的有机立体化学专家Marcin Kwit教授合成的。然后它被结晶并带到Barbour的实验室，由博士后研究员Agnieszka Janiak博士进一步研究。这主要是因为Barbour对环形分子的兴趣，以及它们在晶体中包装在一起时如何形成通道。

Janiak注意到晶体在某些日子是黄色的，而在另一些日子里是红色的。没过多久，她就发现晶体只有在湿度高于55%的日子才会变红。当湿度水平低于这个水平时，晶体会恢复为黄色。

“这种行为不仅相当不寻常，”Barbour解释说，“而且发生得也非常快。似乎晶体在高湿度下吸收水分的速度与在低湿度下再次失去水分的速度一样快。虽然我们熟悉设计用于吸水的材料，但对于容易吸收水的材料来说，同样容易失去水分是非常不寻常的。

为什么这些晶体具有如此特殊的性质?这个问题开始了近十年的调查，最初侧重于解释颜色变化背后的机制。Esterhuysen和理学硕士生Dirkie Myburgh的理论建模表明，吸水会导致晶体的电子特性发生轻微变化，导致它们变红。凭借如此非凡的特性，Barbour确信晶体还具有其他有趣的特性。

就在那时，博士生艾伦·伊比(Alan Eaby)开始涉足这种材料。最初，他专注于室温研究以进行理学硕士研究，但后来在三年前开始攻读博士学位时将注意力转向在较低温度下测量特性。他想知道晶体在不同的温度和湿度水平下会如何表现：“我对颜色变化很感兴趣，想探索原子尺度上发生的事情，”他解释道。

在从Barbour那里学到了开发仪器和方法后，他开始采用非标准技术来了解材料中水分的吸收和释放机制。

有一天，他观察到在零摄氏度以下的温度下发生了一些奇怪的事情。“我注意到晶体在零下的温度下仍然会变色。最初，我认为实验装置或温度控制器有问题，因为晶体水合物不应该在如此低的温度下释放水，“他解释道。

在与Barbour和Esterhuysen进行了多次交谈和咖啡休息，并多次调整实验设置后，他们意识到Alan的观察可以用材料中通道的狭窄来解释。晶体中的通道只有一纳米宽 - 人类头发直径的千分之一。

众所周知，在纳米尺度上，水可以在低于0°C的温度下在通道内保持流动。 然而，这项研究首次表明，这种渠道还可以允许在远低于其正常冰点的温度下吸收和释放水。

为了理解这一过程，Eaby对不同温度和湿度下的红色和黄色晶体进行了一系列广泛的、系统的X射线衍射研究。这使他能够构建一个计算机生成的“电影”，具有原子级分辨率，记录冷却或加热时通道在有水或没有水的情况下会发生什么。这些动画表明，纳米通道中的水分子自由移动，直到冷却到-70°C，然后它们经历类似于玻璃态的“可逆结构事件”。这种“玻璃化转变”最终导致水在低于-70°C的温度下被困在材料中。

如果不是晶体的变色行为，他们就不会意识到超低温失水能力。“谁知道呢，”Barbour说，“可能还有许多其他材料能够在非常低的温度下吸收和释放水分，例如金属有机框架和共价有机框架。

“我们根本不知道它，因为我们无法想象它。现在我们知道这种行为是可能的，它开辟了一个全新的研究和潜在应用领域。研究人员可以利用这些新信息来识别具有类似特性的其他材料，还可以使用我们开发的原理来微调低温水的释放。这可能导致大气集水的能源成本大幅降低，对社会和环境产生影响，“他总结道。