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科技日报讯 如果你不想在沙漠里渴死,可以向沙漠甲虫学习,或随身带个碳纳米管杯子。据物理学家组织网近日报道,美国莱斯大学科学家展示了他们的最新成果——由改良碳纳米管森林制作的“吸湿架”,能在干燥的沙漠空气中收集水分子,储存起来以备将来使用。相关论文发表在最近出版的美国化学协会杂志《应用材料与界面》上。
“碳纳米管森林”是一种细长的碳纳米管阵列,通过一种叫做水辅助化学气相沉积的过程生长出来,纳米管直径只有几纳米,长约1厘米。其顶面有一层亲水层,底面是一层超级憎水层,这样水分子就被困在纳米管内部。
莱斯大学材料学科学家普里克尔·阿迦延发现了一种模拟沙漠甲虫(Stenocara beetle)的方法。这种甲虫能伸展翅膀捕获沙漠晨雾里稀有的水分子,以此解渴而在沙漠中生存。研究人员改进了碳纳米管森林的生长过程,先在碳纳米管森林顶部沉淀一层超级憎水层,然后把它们从硅基底座上剥离,翻转过来再在上面加一层亲水聚合物。
在实验中,水分子与亲水顶端结合,由于纳米管森林的毛细管效应和重力而进入材料内部。当小水滴粘在亲水端,水分子会受到范德华力、氢键结合力和双极作用被拉进内部,扩展到整个纳米管,随后水分子会吸取更多的水进来。
他们还实验了几种不同的碳纳米管。只有顶部有亲水层的,在湿润空气中就会散裂,因为底部没有东西把它们连在一起;顶部和底部都有亲水层的,纳米管森林会连在一起,但水会漏出去;而憎水层做底、亲水层做顶的纳米管森林,吸收了达自身重量80%的水后仍能保持完好。
材料能吸收多少水蒸气取决于空气湿度。在干燥空气中,一块8毫克重的样本(表面积0.25平方厘米)11小时能吸收自身重量27.4%的水分,在湿润空气中,13小时能吸收自身重量80%的水分。进一步测试还显示,纳米管森林能大大减缓其吸收水分的蒸发。
研究人员说,碳纳米管森林制造起来很容易,如果能大规模生产,就成为一种高效集水设备。“它不需要任何外部能量,就能把水保持在纳米管森林里,”论文第一作者、实验室研究生赫穆斯·奥兹登说,“你可以挤压纳米管把水挤出来,然后将材料反复使用。”(常丽君)
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