科学家确定了-70°C水的冰点新基准
科学家们发现了水奇怪而奇妙行为的另一个惊人方面——这一次是在零度以下的温度下受到纳米级限制。
今天发表在《自然》杂志上的一项发现是，一种结晶物质可以在低至-70 °C 的温度下轻松释放水分，这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) 的一个超分子化学家团队，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奇特行为时做出了这一发现，这种晶体首先在大约 10 年前引起了他们的兴趣几年前。
“科学家们目前擅长设计可以吸水的材料，”Barbour 解释道。然而，要让这些材料(我们称它们为“水合物”)在无需以热能形式提供能量的情况下释放水分则要困难得多。众所周知，能源价格昂贵，而且很少是完全“绿色”的。
所讨论的化合物最初是由波兰密茨凯维奇大学有机立体化学专家 Marcin Kwit 教授合成的。然后将其结晶并带到 Barbour 的实验室，供博士后研究员 Agnieszka Janiak 博士进一步研究。这主要是因为 Barbour 对环形分子以及它们在晶体中聚集在一起时如何形成通道的兴趣。
Janiak 注意到这些晶体有时呈黄色，有时呈红色。没过多久，她就发现这些晶体只会在湿度高于 55% 的日子里变红。当湿度水平低于这个水平时，晶体会变回黄色。
“这种行为不仅非常不寻常，”Barbour 解释说，“而且发生得非常快。看起来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，但对于一种容易吸水的材料来说，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，最初的重点是解释颜色变化背后的机制。Esterhuysen 和理学硕士学生 Dirkie Myburgh 的理论模型表明，吸水会导致晶体的电子特性发生轻微变化，从而导致它们变成红色。凭借如此卓越的特性，Barbour 相信这些晶体还会具有其他有趣的特性。
就在那时，博士生 Alan Eaby 开始涉足这些材料。最初，他的 MSc 研究专注于室温研究，但后来在三年前开始攻读博士学位时，他将注意力转向测量低温下的特性。他想知道晶体在不同温度和湿度水平下的表现：“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 那里了解了开发仪器和方法后，他开始采用非标准技术来了解材料吸水和放水的机制。
一天，他观察到在零摄氏度以下的温度下发生了一件奇怪的事情。“我注意到晶体在低于零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 多次交谈和喝咖啡休息时间，并多次调整实验设置后，他们意识到 Alan 的观察结果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——是人类头发直径的千分之一。
众所周知，在纳米级，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，这种通道也可以在远低于其正常冰点的温度下吸收和释放水。
为了解这一过程，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而系统的 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，显示通道在冷却或加热以及存在或不存在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，直到冷却至 -70 °C，随后它们经历“可逆结构化事件”，类似于玻璃态。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。
如果一开始不是因为晶体的变色行为，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具有在极低温度下吸收和释放水的能力，例如金属有机骨架和共价有机骨架。
“我们根本不知道它，因为我们无法想象它。现在我们确实知道这种行为是可能的，它开辟了一个全新的研究领域和潜在应用。研究人员可以使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水的低温释放。这可能会导致大气水收集的能源成本大幅降低，对社会和环境产生影响。” 他总结道。
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