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科学家确定水的凝固点新基准为-70°C
摘要：
南非科学家发现一种有机晶体材料可以在极低温(-70°C)环境下吸收和释放水分子。这一惊人发现为开发高效低成本的大气水生成系统带来新希望。研究团队通过X射线衍射和理论计算,观察到水分子可以在1纳米宽的晶体通道内自由运动,直到-70°C时“结构化”而被困住。这证实了水在纳米尺度上的异常性质,为理解水的奇异行为带来新视角。
一块最初为红色的单晶的相片显示，在-20°C下脱水时如何转变为黄色。
科学家发现水的奇异和神奇行为的又一个惊人方面，这次是在零下温度下受纳米尺度限制时。
4月12日发表在《自然》杂志上的一项研究发现，晶体物质在-70° C的温度下可以轻易地释放出水，这一发现对于开发从大气中提取水的材料具有重大意义。
位于斯泰伦博斯大学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，在试图理解一种结晶体奇怪的行为时发现了这一结果，该结晶体大约10年前首次引起他们的兴趣。
“科学家目前已熟练掌握设计吸水材料的技能，”Barbour解释说。“然而，让这些材料(我们称之为‘水合物’)再释放水分而不必提供热能的形式供应能量，这显然更困难。我们都知道，能量昂贵且很少完全‘环保’。”
这个化合物最初由波兰亚当米克维奇大学的有机立体化学专家Marcin Kwit教授合成。然后由博士后研究员阿格涅什卡·扬纳克进行结晶和带到Barbour的实验室进行进一步研究。这主要是因为Barbour对环形分子及其在晶体中打包形成通道的方式感兴趣。
扬纳克注意到晶体有时是黄色的，有时是红色的。她很快就发现，晶体只在相对湿度高于55%的天气才会变红。当相对湿度低于此水平时，晶体会恢复黄色。
“这种行为不仅相当异常，”Barbour解释道，“而且还发生得非常快。当相对湿度高时，晶体似乎吸水与当相对湿度低时失去水分一样快。虽然我们熟悉设计吸水的材料，但一种容易吸水的材料也同样容易失去水分，这非常不寻常。”
为什么这些晶体有如此特殊的性质?这个问题启动了近10年的研究，最初集中在解释颜色变化的机理。Esterhuysen和理学学士生迪尔基·莫伯里的理论建模显示，吸水会导致晶体的电子性质略有改变，使其变红。具有如此卓越性能，Barbour坚信晶体也会有其他有趣的性质。
然后，博士生Eaby开始涉猎这种材料。最初，他在硕士研究中专注于室温研究，但3年前开始博士学位研究时，他将注意力转向测量较低温度下的性质。他想知道晶体在不同温度和湿度下的表现会如何:“颜色变化让我着迷，我想探索在原子尺度上发生了什么，”他解释说。
在Barbour的指导下学习开发仪器和方法后，他开始采用非标准技术来理解材料中的水分吸收和释放机理。
一天，他在零度以下的温度观察到一些奇怪的现象。“我注意到晶体在零下温度下仍然发生颜色变化。起初我以为实验装置或温度控制器出了问题，因为晶体水合物不应在如此低的温度下释放水分，”他解释说。
经过与Barbour和Esterhuysen的许多讨论和咖啡休息，以及多次调整实验装置，他们意识到艾伦的观察结果可以用材料中的通道窄度来解释。晶体中的通道仅宽1纳米，相当于人类头发直径的千分之一。
人们已经知道，在纳米尺度上，水在0°C以下的温度内通道内可以保持流动。但是，这项研究首次显示，这样的通道也可以允许水在远低于其正常凝固点的温度下吸收和释放。
为了理解这个过程，Eaby进行了各种X射线衍射研究，研究红色和黄色晶体在不同温度和湿度下的性质。这使他能够构建一部计算机生成的“电影”，在原子尺度上显示在冷却或加热及有或无水存在下通道发生的变化。这些动画表明，纳米通道中的水分子在冷却至-70°C时自由移动，此后发生“可逆的结构事件”以类似玻璃态的形式存在。这种“玻璃转变”最终导致水分子在-70°C以下的温度被困在材料中。
如果不是晶体本身的颜色变化，他们也不会意识到超低温失水的能力。 “谁知道呢，”Barbour说，“也许还有很多其他的材料，拥有在超低温下吸水和放水的能力，比如金属有机框架和共价有机框架。
“我们简单地不知道它是可能的，因为我们无法观察到它。现在我们知道这种行为是可能的，它开启了一个全新的研究领域和潜在应用。研究人员可以利用这些新信息来识别其他具有类似性质的材料，并使用我们开发的原理精细调整低温水的释放。这可能导致大气水采集的能量成本大幅降低，这对社会和环境有重要意义，”他总结说。
这个发现为大气水生成带来新的希望。如果可以开发出低成本的方法来从空气中收集水分子并将其聚集在一起，这可能会对全球获得清洁饮用水产生重大影响，特别是在贫困和干旱的地区。
但是，在实现这个愿景之前，科学家和工程师还面临许多挑战。例如，他们必须找到一种方法来大规模生产具有类似性质的纳米材料，并将其制成薄膜或其他结构。此外，收集和凝聚过程必须高效且低耗能，否则难以实现经济可行性。
Eaby说:“理解水在这种材料中的行为机理是实现这一愿景的第一步。我们现在需要找到方法来利用这些原理生产出实用的大气水生成系统。”
对此，Barbour补充道:“我相信这项工作将激发广大科学家和工程师的想象力，推动开发先进的水生成系统，这可能产生深远的影响。我们研究小组的下一步是与工程师合作，探索如何在大规模上制造和应用这种类型的材料。”
Esterhuysen教授表示，虽然实现高效且经济可行的大气水生成系统还有很长的路要走，但这项研究的确提供了一个有希望的方向。“现在我们有一个蓝图，通过模仿自然界中的一些系统在极低温下实现水的吸收和释放，我们可以设计出人工材料来达到同样的目的，”她说。
“这可能需要很长时间才能实现，但这是迈向该愿景的重要一步。我们希望这项工作鼓励和启发其他研究小组在这条道路上前进，最终实现一个可以真正改变世界的技术。”
Barbour总结说:“我们应该小心谨慎地对未来持乐观态度。科学发展是渐进的，但只要我们不断努力，梦想终将成真。”