從碳管中流出清泉

石無魚

在中東某些國家，水比油貴早已不是什么新聞，這些國家盡管緊鄰大海，其實(shí)并不缺水，但因?yàn)槟壳昂Ｋ某杀揪痈卟幌拢旁斐闪诉@樣的怪事。不過未來，一項新的納米技術(shù)有望改變這一局面。在這一技術(shù)中，我們以前多次介紹過的老朋友——碳納米管又將再一次大顯身手。

早在上個世紀(jì)初生物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，在生物體的細(xì)胞膜上有一些細(xì)長的通道，控制著水分子在細(xì)胞膜上的出入。這些通道雖然結(jié)構(gòu)精微，但本質(zhì)上就是一些微小的管子，只是它們的直徑非常小，大概只有零點(diǎn)幾個納米而已。

受此啟發(fā)，一些科學(xué)家就設(shè)想，如果換成碳納米管，會不會實(shí)現(xiàn)同樣的功能呢？碳納米管是1990年代發(fā)現(xiàn)的一種新材料，它是由一層或者幾層碳原子格網(wǎng)卷成的圓筒狀管道，其直徑可達(dá)到幾納米?？上壳皩?shí)驗(yàn)上要制造直徑零點(diǎn)幾個納米的碳納米管還很困難，于是他們想到了用計算機(jī)模擬來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樘荚优c水分子的作用科學(xué)家是清楚的，那是一種范德瓦爾斯力，而碳納米管與水的作用無非是很多碳原子和很多水分子的相互作用之和而已，所以完全可以在計算機(jī)上進(jìn)行模擬。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，他們首先“制造”了一根直徑只有0.8納米的“碳納米管”，然后讓這根“管子”浸在虛擬的水中。研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，竟然有一線“水流”進(jìn)入到了“碳納米管”里面。他們?yōu)槭裁大@訝呢？因?yàn)槟阋溃技{米管的表面是厭水的（類似于不粘鍋）。當(dāng)研究人員通過調(diào)節(jié)“水溫”，稍稍增大水分子之間的排斥力之后，他們觀察到“管子”里的“水”非常迅速地排了出來；而一旦降低水分子之間的排斥力，“水”又非常迅速地填了回去。能如此易如反掌地控制水在“碳納米管”中的進(jìn)出，大大出乎科學(xué)家們的預(yù)料，這意味著微小的變化就能實(shí)現(xiàn)水在碳納米管中的移動和運(yùn)輸。

科學(xué)家又把虛擬的“碳納米管”置入虛擬的鹽水中。他們發(fā)現(xiàn)，“鹽水”里“水分子”可以非常迅速地流進(jìn)“碳納米管”，而且其流速是理論預(yù)言的上千倍?？墒恰胞}水”里的“鈉離子”和“氯離子”卻被擋在了外面；雖然這些“離子”的尺寸比“碳納米管”的直徑要小得多，甚至比“水分子”還小，卻進(jìn)不了“碳納米管”。

這個現(xiàn)象倒是不難解釋。在鹽水中，鹽顆粒溶解后分解成了帶正電的鈉離子和帶負(fù)電的氯離子。這些離子在水中其實(shí)并不是單獨(dú)存在的，由于它們帶電，在靜電作用下，它們周圍吸附了很多水分子，于是個頭就變得龐大起來，以至于比單個的水分子還大，所以被堵在了碳納米管外面。打個比喻，它們就好比大街上那些賣氣球的人，雖然自己個頭并不大，但因?yàn)槭掷锢敲炊嗟臍馇?，一眼望去就變成了龐然大物，稍窄一點(diǎn)的門就進(jìn)不去了。從這一實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家看到了未來海水淡化的新希望。

2006年，有兩位美國科學(xué)家用一系列短小的、直徑大約只有1.6納米的碳納米管（現(xiàn)在是貨真價實(shí)的碳納米管）排列成行，組成一張膜，一端放入水中。他們發(fā)現(xiàn)水可以非常迅速地從另一端流出來，流速是通常使用的多孔膜的100多倍。只可惜直徑1.6納米對于海水脫鹽還是太大了些，效果并不很明顯。理論上計算，只要碳納米管的直徑超過1納米，海水中的“鈉離子”和“氯離子”就能夠鉆進(jìn)碳納米管；如果碳納米管的直徑做到0.93納米，那么95%的氯化鈉離子都能被擋在管外，這樣從碳納米管另一端流出的水就可以直接飲用了。只要我們造出1平方米的這樣的碳納米管膜，原則上每天就可以淡化上萬升的海水，而且不需要任何動力。

這項技術(shù)要是實(shí)現(xiàn)，那么許多中東國家，甚至包括我國的許多沿海缺水地區(qū)，就不必“望洋興嘆”，守著海喊渴了。