研究人员注意到,通常的材料在周围的空气湿度增大时会吸收水。但他们制得的这批纳米棒,在相对湿度50-80%之间时反而会排出水来,这是他们认为“任何其他物质都不具备”的行为。而在相对湿度50%之下,纳米棒的表现回复正常。所以,只要降低湿度,这一过程是可逆的,纳米棒重新吸水。
纳米棒创造者之一的研究助理戴维说。“这种不寻常材料的行为有点像海绵,它在吸饱水之前中途完全变性。”
有趣的是,这些纳米棒竟是团队在制造磁性纳米线材时被错造出来的。当时,萨迪希·努内(后来是研究报告的第一作者)用气体分析仪检查他们制造的一批纳米线材,发现湿度增加时,重量反而变轻了。为排除气体分析仪本身故障的可能,科学家改用显微镜来观察,结果直接看到纳米棒的分叉处有水珠出现(图,PNNL);当湿度上升超过80%时水珠才蒸发。
团队研究为什么会出现这种情况。他们在资料中发现了2012和2013年间的一些论文,解释水在局限于1.5纳米宽的区域中,或被疏水性材料紧密包裹时,为什么能自己蒸发。这些观察甚至可以追溯到上世纪90年代,当时科学家用蛋白质结晶做实验时注意到类似事件,他们推测是某种未知的过程使水迅速蒸发。
太平洋西北国家实验室最近的研究似乎是首次直接、完整地观察到这种现象。团队的假设是,冷凝的水,拉近了纳米棒分叉之间的距离,当达到1.5纳米的阈值时,如同先前的实验中那样,水迅速蒸发。他们意外地创造出了能在低湿度下吸收水分并能在湿度增大时将其排出的纳米棒。
戴维表示,“对这种不可预见行为的震惊已经过去,我们设想它能在许多方面改善我们的生活质量。”
潜在应用的一个例子,是从沙漠空气中获取水分的系统。当达到一定湿度时,弹落所收集的水,加以利用。也可设想用作衣服上的膜,吸收汗水,再将其转换为水蒸汽排出。
“我们需要能控制和完善这些纳米棒的大小和形状,才能好好利用它们。”努内表示。为达成这个目标,团队希望能提高材料的吐水效率(目前估计为10至20%)。后续的研究将针对纳米棒的化学和物理性质进行,并确定这个方法能否采用不同的纳米材料完成;能否收集其他液体(如甲醇)。
这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上。 凌启渝