Nature Nanotechnology：顛覆認知-這種材料能在低濕度時吸水，高濕度時排水 解決干旱問題全靠它

無機材料有三種常見的水吸附-脫附機制：化學吸附，可以起修復改善作用；可逆的簡單吸附，以及不可逆的冷凝過程。然而，目前我們所知的所有材料，其等溫線都顯示，吸水量與相對濕度成正比關系，也就是，環境相對濕度（RH）大，材料吸水量也增大，而RH低，吸水量也隨之下降。

北京時間6月13號，Nature Nanotechnology最新一期的研究報道打破了這項傳統認知——一種碳基的納米棒，使用原位顯微技術發現，這種材料會在低RH下吸收水分，在RH達50%-80%閾值時可自發地排斥出一半之前吸收的水分。此過程能夠可逆進行，主要歸因于受限碳棒之間的界面張力。

起初，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory）的研究者主要在致力于探索一種環境友好的富鐵納米線的合成手段（如圖1），而一次偶然的實驗過程中，研究者得到了這種特異的吸附材料。

圖1 納米棒的制備、結構以及各種光譜圖像

盡管這種納米棒并非是最初要得到的，不過研究者還是詳細地探究了下這種材料。

首先，當相對濕度增加時，納米棒會失重。隨后他們使用顯微鏡進行原位觀察，發現了令人振奮的結果——棒束之間的小空間內出現不知名液體滲出！他們錄制了一小段原位視頻(見文后）。

圖2 ?納米棒的水吸附等溫線

研究者制備了兩種不同FeCl3含量（1-0.1M、2-0.2M）的納米棒。圖2中，a-c依次為25℃時的等溫線；2-0.2M納米棒過渡期水吸附動力學數據；2-0.2M納米棒循環水吸附等溫線。

圖3 ?使用高分辨XPS光譜進行材料表征，探查前后變化

a-d中，a，c分別為制備得到的材料的表征數據；b，d分別為水暴露過后的表征數據，顯示水吸附后，C-S鍵增多，Fe-S減少。e為RTK、77K、35K、12K、6K五個溫度點下，2-0.2MFeCl3納米棒的莫斯堡爾(M?ssbauer)光譜數據。

研究者認為，在較寬的棒間隙處，表面易形成單層水分子，隨后會在互相交叉的棒間（形成受限的空間）內發生冷凝。當RH增加，由于毛細管作用納米棒束彼此收縮靠近，達到較高的RH時，一旦受限空間尺寸縮減至臨界（失穩）長度，表面誘導蒸發現象（也稱溶劑空化，Solvent cavitation）發生，凝結在受限區域內部的水分也隨之以蒸汽形式釋放（如圖4）。

圖4 ?水脫附機制的概念原理圖

其實早在20多年前就有學者以結晶蛋白質為例，提出了這一現象背后的物理理論，但一直未被證實。

這項成果的發現有著十分誘人的現實應用前景，比如，幫助低勢能處水資源的獲取與凈化、推廣制作可以自動蒸發汗液的智能衣服等等。

當然，理想與現實之間還有很大的一段距離——還需要使更多的納米棒都可以排除水分，此次實驗中只有10-20%的材料參與排水。另外也需要更多的理論論證，以及探查是否有其他材料也具有這種吸附-脫附效應。

文獻鏈接：Anomalous water expulsion from carbon-based rods at high humidity

附原位視頻：