纳米管水
简介美国阿贡国家实验室的亚历山大·科列斯尼科夫博士及其同事发现了水的一种新状态，在该状态下，即使在绝对零度时水也不会结冰。
具体介绍据美国“sciencedaily”2005年6月7日报道：美国阿贡国家实验室强脉冲中子源（IPNS）研究分部的物理学家们发现了水的一种的新形态，它被称作“纳米管水”，即这些分子都包含两个氢原子和一个氧原子但是它们在接近绝对零度的温度下也不会冻结成冰。 和普通水不同的是，水在一条不到2纳米（或二十亿分之一米）单独的碳原子壁管会形成一个结冰的水分子内壁，而一条处于近似于液态的水分子链可以在内壁中间流动。这种现象发生在绝对温度8K，即零下华氏445度的条件下。在温度上升到接近室温的水平时，整个纳米管水开始逐渐变为液态。 从生物学家到地质学家以及材料科学家，这些研究者们对处在这种由“恐水”——排斥水材料构成的极为封闭的空间时水分子的特性十分感兴趣，因为这样的现象在大自然中存在，例如细小的根茎为植物供水. 一些有关膜蛋白质的研究同样面临这一挑战，其中包括控制水分子在细胞壁中流动的水通道蛋白。 美国阿贡国家实验室的这一研究是世界上首次在纳米管中进行的水试验。“我很惊讶，” 首席科学家Alexander Kolesnikov表示，“没有人曾经在纳米管中进行过水试验。科学家们已经做过大量的数据计算，而且由于水是很难模拟的，这一点也使这样的试验更加困难。” “虽然几十年来，科学家们一直在尝试着建立水模型，”美国休斯敦大学的客座科学家Christian J. Burnham表示，“我们所获得的仅仅是开始认识到在模型中包括正确地对氢核子运动的量子级描述。而且我们仍然在研究如何对包围每个水分子的电荷云进行更加精确的数学描述。” Kolesnikov，Chun Loong， Nicolas de Souza， Pappannan Thiyagarajan 和 Jean-Marc Zanotti等几位科学家利用强脉冲中子源来进行试验，他们使用强脉冲中子源实验中研究液体和固体中原子排列与运动的工具。来自工业、学术组织以及其他国家以及国际实验室的研究人员都可以使用强脉冲中子源。 美国亚利桑那州图森市的MER公司提供了实验所需的纳米管试样，这种纳米管由高纯度碳制成，而且仅有一个原子厚。每个纳米管直径为1.4纳米，长度为10000纳米，这有点像一根干燥的、200米长的意大利空心面条，因为这种纳米管的长度是直径的7000倍。 “利用这种一维限制，” Kolesnikov称，“我们希望能够发现一些新的性质，但是我们什么都没有观察到，相反，极不寻常的事发生了。” 发生的现象“与数量较多时的液态水或冰截然不同，” Kolesnikov说。在温度条件为8K时，四个连接在一起的水分子在这种排斥水的碳纳米管内壁中形成了一个冰衬层。在碳纳米管中，这一衬层能在周围0.32纳米的空间中自由浮动，因为这接近自然条件下，水分子能够接近碳的距离。“在衬层的中间，一条水分子链在内部流动，而且它与水分子大量存在的状态下一样，流动性较强，” Kolesnikov解释说。 研究者们认为这种特性主要是由于分子较低的“协调数”。在液态水中，正常情况下会有3.8个氢键（协调数）与就近的分子连接在一起。而在结冰状态下，四个氢键会与就近的分子连接在一起。而在纳米管水中，水分子链的氢键只有1.86个。 “因为这种较为松散的键接，水变得十分活跃而且总是处在流动状态下，” Kolesnikov表示。纳米管中的冰衬十分稳定，但是移动的链持续在水分子链的不同部分形成并打破键，有时也会与冰衬发生这样的现象。 为了准备这一试验，科学家们先将碳纳米管试样在水蒸气中暴露了几个小时，然后在烘干去除外表的水分。这时，他们就可以在强脉冲中子源使用散射中子技术来研究这条纳米管。中子是不含电荷的粒子，存在于几乎在所有的物质中。当强脉冲中子源发射出中子束并且穿过某种物质是，科学家们就能了解到这种物质的结构与动力特性。 首先，科学家们利用小角度中子衍射仪来确定水分子仅仅存在于纳米管的内部。如果水分子留在纳米管表面的话，它们将破坏衍射中子的实验结果。科学家们然后利用其他衍射中子技术来获得有关原子排列、无弹性与准弹性中子散射测量信息来确定水分子的运动。 接下来，利用水分子动力模拟专家Burnham开发出的模拟装置来研究这种新状态下的水分子在碳纳米管中的特性。 这种纳米管试样极小的比例给建造模拟装置带来了一定的优势，比其他研究中的模拟速度更快，例如模拟研究体积大几千倍、结构更加复杂的生物结构。 据Kolesnikov表示，另外一个优势就是从事其他领域研究的科学家们能够从这种一维限制中分析出水分子在这种状态下的特性。“在非弹性散射中子试验中，碳几乎是不可见的，这和氢原子一样，所以你只会看到水。生物学家能够利用我们的研究数据来找出这种状态下的水在他们更大更复杂的模型中会怎样活动，” Kolesnikov解释。 这一试验由美国能源部基础能源科学所资助。 研究仍在继续。Burnham将继续在阿贡实验室理论学院的资助下开拓自己的经典分子动力学研究，包括利用并行计算法来研究量子效应。强脉冲中子源的研究者们计划开始研究水分子在尺寸与膜蛋白质大小相当的碳纳米管中，膜蛋白质有选择性地输送水分子。他们还打算研究纳米管水的热动力学特性。 Kolesnikov称他一生都在研究水，因为“水对人类生存是不可或缺的——无论是在我们的地球上还是在其他行星系统中”。
