Massachusetts Institute of Technology
Une équipe du MIT a découvert une découverte inattendue sur l'eau: à l'intérieur des plus petits espaces - dans des nanotubes de carbone dont les dimensions intérieures ne sont pas beaucoup plus grandes que quelques molécules d'eau - l'eau peut geler solide même à des températures élevées qui la feraient normalement bouillir. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles applications telles que les fils remplis de glace.
Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Une équipe du MIT a découvert une découverte inattendue sur l'eau: à l'intérieur des plus petits espaces - dans des nanotubes de carbone dont les dimensions intérieures ne sont pas beaucoup plus grandes que quelques molécules d'eau - l'eau peut geler solide même à des températures élevées qui la feraient normalement bouillir. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles applications telles que les fils remplis de glace.
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Une équipe du MIT a découvert une découverte inattendue sur l'eau: à l'intérieur des plus petits espaces - dans des nanotubes de carbone dont les dimensions intérieures ne sont pas beaucoup plus grandes que quelques molécules d'eau - l'eau peut geler solide même à des températures élevées qui la feraient normalement bouillir. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles applications telles que les fils remplis de glace.
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À l'intérieur de minuscules tubes, l'eau devient solide alors qu'elle devrait bouillir
Les chercheurs du MIT découvrent un comportement étonnant de l'eau confinée dans des nanotubes de carbone.
David L. Chandler | MIT News Office
28 novembre 2016
Enquêtes de presse
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COMMENTAIRE
C'est un fait bien connu que l'eau, au niveau de la mer, commence à bouillir à une température de 212 degrés Fahrenheit, ou 100 degrés Celsius. Et les scientifiques ont depuis longtemps observé que lorsque l'eau est confinée dans de très petits espaces, ses points d'ébullition et de congélation peuvent changer un peu, diminuant généralement d'environ 10 ° C.
Mais maintenant, une équipe du MIT a trouvé un ensemble de changements complètement inattendu: à l'intérieur du plus petit des espaces - dans des nanotubes de carbone dont les dimensions intérieures ne sont pas beaucoup plus grandes que quelques molécules d'eau - l'eau peut geler solide même à des températures élevées qui devraient normalement se fixer ça bout.
La découverte illustre comment même des matériaux très familiers peuvent changer radicalement leur comportement lorsqu'ils sont piégés à l'intérieur de structures mesurées en nanomètres, ou milliardièmes de mètre. Et la découverte pourrait conduire à de nouvelles applications - telles que, essentiellement, des fils remplis de glace - qui tirent parti des propriétés électriques et thermiques uniques de la glace tout en restant stables à température ambiante.
Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnology , dans un article de Michael Strano, professeur Carbon P. Dubbs en génie chimique au MIT; postdoc Kumar Agrawal; et trois autres.
«Si vous limitez un fluide à une nanocavité, vous pouvez réellement fausser son comportement de phase», explique Strano, se référant à comment et quand la substance change entre les phases solide, liquide et gazeuse. De tels effets étaient attendus, mais l'énorme ampleur du changement et sa direction (augmenter plutôt qu'abaisser le point de congélation) étaient une surprise totale: dans l'un des tests de l'équipe, l'eau s'est solidifiée à une température de 105 ° C ou plus. (La température exacte est difficile à déterminer, mais 105 C a été considérée comme la valeur minimale dans ce test; la température réelle aurait pu être aussi élevée que 151 C.)
«L'effet est beaucoup plus important que quiconque ne l'avait prévu», explique Strano.
Il s'avère que la façon dont le comportement de l'eau change à l'intérieur des minuscules nanotubes de carbone - structure la forme d'une paille de soda, entièrement composée d'atomes de carbone mais de seulement quelques nanomètres de diamètre - dépend essentiellement du diamètre exact des tubes. «Ce sont vraiment les plus petits tuyaux auxquels vous pourriez penser», explique Strano. Dans les expériences, les nanotubes ont été laissés ouverts aux deux extrémités, avec des réservoirs d'eau à chaque ouverture.
Même la différence entre les nanotubes de 1,05 nanomètre et 1,06 nanomètre de diamètre a fait une différence de dizaines de degrés au point de congélation apparent, ont découvert les chercheurs. Ces différences extrêmes étaient complètement inattendues. "Tous les paris sont désactivés lorsque vous êtes vraiment petit", explique Strano. "C'est vraiment un espace inexploré."
Dans des efforts antérieurs visant à comprendre comment l'eau et les autres fluides se comporteraient lorsqu'ils seraient confinés dans de si petits espaces, «il y a eu des simulations qui ont montré des résultats vraiment contradictoires», dit-il. Cela s'explique en partie par le fait que de nombreuses équipes n'étaient pas en mesure de mesurer avec précision la taille exacte de leurs nanotubes de carbone, ne réalisant pas que de si petites différences pouvaient produire des résultats aussi différents.
En fait, il est surprenant que l'eau pénètre même dans ces minuscules tubes en premier lieu, dit Strano: les nanotubes de carbone sont considérés comme hydrophobes ou hydrofuges, de sorte que les molécules d'eau devraient avoir du mal à pénétrer à l'intérieur. Le fait qu'ils y pénètrent reste un peu mystérieux, dit-il.
Strano et son équipe ont utilisé des systèmes d'imagerie très sensibles, utilisant une technique appelée spectroscopie vibrationnelle, qui pouvaient suivre le mouvement de l'eau à l'intérieur des nanotubes, soumettant ainsi son comportement à des mesures détaillées pour la première fois.
L'équipe peut détecter non seulement la présence d'eau dans le tube, mais aussi sa phase, dit-il: «Nous pouvons dire si c'est de la vapeur ou du liquide, et nous pouvons dire si c'est dans une phase rigide.» Alors que l'eau entre définitivement dans une phase solide, l'équipe évite de l'appeler «glace» car ce terme implique un certain type de structure cristalline, dont ils n'ont pas encore pu démontrer l'existence concluante dans ces espaces confinés. «Ce n'est pas nécessairement de la glace, mais c'est une phase semblable à de la glace», dit Strano.
Parce que cette eau solide ne fond pas bien au-dessus du point d'ébullition normal de l'eau, elle devrait rester parfaitement stable indéfiniment dans des conditions de température ambiante. Cela en fait potentiellement un matériau utile pour une variété d'applications possibles, dit-il. Par exemple, il devrait être possible de fabriquer des «fils de glace» qui seraient parmi les meilleurs supports connus pour les protons, car l'eau conduit les protons au moins 10 fois plus facilement que les matériaux conducteurs typiques. «Cela nous donne des fils d'eau très stables, à température ambiante», dit-il.
L'équipe de recherche comprenait également des étudiants diplômés du MIT, Steven Shimizu et Lee Drahushuk, et le premier cycle Daniel Kilcoyne. Le travail a été soutenu par le US Army Research Laboratory et le US Army Research Office par le biais du MIT Institute for Soldier Nanotechnologies et du Shell-MIT Energy Initiative Energy Research Fund.
Thèmes:École derecherche engénie GéniechimiqueNanotubes de carboneélectroniqueNanoscience et nanotechnologie
MENTIONS DE PRESSE
Les chercheurs du MIT ont découvert que l'eau peut rester gelée, même lorsqu'elle est chauffée à des températures d'ébullition, lorsque des molécules sont placées à l'intérieur de minuscules nanotubes de carbone, rapporte Sam Lemonick pour
