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石墨烯把冰压成平面正方结构

2019-10-09 18:29:26来源:励志吧0次阅读

科学家用两片石墨烯将一滴水“压扁”,形成了冰的又一种新结构:这种结构只有几个原子厚,呈方形网格状。

我们最熟悉的冰是六方结构的(右图),但在两片石墨烯之间,冰会变成扁平的直角结构(左图)。

科学家用两片石墨烯将一滴水“压扁”,形成了冰的又一种新结构:这种结构只有几个原子厚,呈方形网格状。

这种“方形冰”的发现也体现了石墨烯这种二维平面材料的新用途。石墨烯不但有刚性、强韧且导电,它也能对两层石墨烯之间的分子施加很强的压力,这就是为什么水能在多层石墨烯间迅速渗透,这一性质也能启发我们用石墨烯来对水进行脱盐。

石墨烯的发现者是英国曼彻斯特大学的安德烈•海姆(Andre Geim),他也为此得到了2010年的诺贝尔物理学奖。2012年他领导的研究小组发现水蒸气可以通过层压的石墨烯氧化物,这一点甚至连氦原子都办不到。2014年他们又发现不仅水蒸气,液态水也能通过。计算机模拟显示水在两层石墨烯之间可以形成方形结构,只要动一动这种“冰”的边缘,所有的水分子都会一起向同一个方向倒去,就像高速运动的列车一样。然而分子动力学模拟毕竟算不上靠谱,因此他们就做了实验。

海姆的研究小组将一毫升的水倒在一片石墨烯上,再将第二片石墨烯放在水上,所有这一切都在室温下进行。当水慢慢蒸发时,两层石墨烯逐渐紧贴在一起,距离不超过1纳米,这种“三明治”结构把水包在里面。

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy)显示,被包裹在中间的水形成了方形结构。“我们也不是完全没预料到这事,”来自英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的物理学家艾伦•索珀(Alan Soper)说,“但能在这么大一片层状结构中观测到方形冰,这可是从来没有过的。”索珀认为这可以算作冰的新一种晶体相(phase,即有特定化学组成和物理状态的物态),在这之前科学家已经发现了冰有17种相。

方形冰与普通冰的结构大不相同。在一个水分子(H2O)中,氢原子与氧原子之间由很强的化学键相连,但在相邻的两个分子之间,氢原子可以形成一种更弱的氢键。在普通的冰里,氢键通常会呈四面体形。

但在方形冰中,所有的原子都在同一个平面内,氢-氧键互成直角。海姆发现的方形冰碎片里既有一层冰平面的,也有两层、三层冰平面的,相邻层之间氧原子直接上下对齐。

根据研究小组的计算,要让冰形成这样的结构,至少需要1万个大气压。“我们很惊讶压力能达到这么高。”海姆说。这么高的压力来自于双层石墨烯彼此靠近时碳原子电子云的变形。相邻层的碳原子在靠近时由于范德瓦尔斯力会互相吸引,索珀说“这就像千万个小弹簧把两层绑在一起一样”。

海姆认为,这种方形冰也可能出现在其他紧密空间里,例如碳纳米管的内部。如果我们更仔细地研究这种现象,或许可以掌握用石墨烯作为“筛子”对水进行脱盐的奥秘。(来自《自然》,丁家琦编译)

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