美改良碳奈米管森林變身“吸濕架”
- 發佈時間：2014-09-16 07:52:45 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報訊 如果你不想在沙漠裏渴死，可以向沙漠甲蟲學習，或隨身帶個碳奈米管杯子。據物理學家組織網近日報道，美國萊斯大學科學家展示了他們的最新成果——由改良碳奈米管森林製作的“吸濕架”，能在乾燥的沙漠空氣中收集水分子，儲存起來以備將來使用。相關論文發表在最近出版的美國化學協會雜誌《應用材料與界面》上。
“碳奈米管森林”是一種細長的碳奈米管陣列，通過一種叫做水輔助化學氣相沉積的過程生長出來，奈米管直徑只有幾奈米，長約1釐米。其頂面有一層親水層，底面是一層超級憎水層，這樣水分子就被困在奈米管內部。
萊斯大學材料學科學家普裏克爾·阿迦延發現了一種模擬沙漠甲蟲（Stenocara beetle）的方法。這種甲蟲能伸展翅膀捕獲沙漠晨霧裏稀有的水分子，以此解渴而在沙漠中生存。研究人員改進了碳奈米管森林的生長過程，先在碳奈米管森林頂部沉澱一層超級憎水層，然後把它們從硅基底座上剝離，翻轉過來再在上面加一層親水聚合物。
在實驗中，水分子與親水頂端結合，由於奈米管森林的毛細管效應和重力而進入材料內部。當小水滴粘在親水端，水分子會受到范德華力、氫鍵結合力和雙極作用被拉進內部，擴展到整個奈米管，隨後水分子會吸取更多的水進來。
他們還實驗了幾種不同的碳奈米管。只有頂部有親水層的，在濕潤空氣中就會散裂，因為底部沒有東西把它們連在一起；頂部和底部都有親水層的，奈米管森林會連在一起，但水會漏出去；而憎水層做底、親水層做頂的奈米管森林，吸收了達自身重量80%的水後仍能保持完好。
材料能吸收多少水蒸氣取決於空氣濕度。在乾燥空氣中，一塊8毫克重的樣本（表面積0.25平方釐米）11小時能吸收自身重量27.4%的水分，在濕潤空氣中，13小時能吸收自身重量80%的水分。進一步測試還顯示，奈米管森林能大大減緩其吸收水分的蒸發。
研究人員説，碳奈米管森林製造起來很容易，如果能大規模生産，就成為一種高效集水設備。“它不需要任何外部能量，就能把水保持在奈米管森林裏，”論文第一作者、實驗室研究生赫穆斯·奧茲登説，“你可以擠壓奈米管把水擠出來，然後將材料反覆使用。”（常麗君）
