http://phys.org/news/2014-06-nanotube-forests-arid-air.html
Jun 11, 2014
(Phys.org) -- 如果你不想要渴死在沙漠中，最好像甲蟲。或著手中拿著一個奈米管杯子。英國 Rice 大學科學家所完成的新研究證明，奈米碳管「森林」能用來從乾燥的空氣中收成水分子，並將之儲存以供未來使用。
這項發明他們稱為「吸濕性支架（hygroscopic scaffold）」詳述於 American Chemical Society 的 Applied Materials and Interfaces 期刊。
在 Rice 實驗室的研究者中，材料科學家 Pulickel Ajayan 發現一種方法來模擬沙漠甲蟲 Stenocara，那在沙漠中透過伸展牠的雙翅捕捉並飲用來自晨霧的水分子。
他們藉由在 Rice 大學創造的一種製程來修改奈米碳管森林的生長，使奈米管底部具有超疏水（排斥水分）的特性，而頂部則具有親水性。「森林」從空氣中吸引水分子，而且因為底部天生就疏水，所以會將水分子困在內部。
"那不需要任何外部能量，而且那會將水保留在森林中，" 畢業生與第一作者 Sehmus Ozden 表示。"你能夠擠壓森林，以便將水取出，然後重複使用這種材料。"
這些森林的生長是經由水輔助的、奈米管（直徑只有幾奈米，長度約一公分）構成的化學蒸鍍（CVD）。
Ozden 所領導的 Rice 團隊將超疏水層蒸鍍到森林頂端，然後將森林從矽基（silicon base）移除，將之翻轉，並在另一端加入親水性聚合物。
在測試中，水分子與親水的頂端結合，透過毛細管作用與重力，滲透森林。（研究者假設，「森林」中的空氣會受到壓縮而非逐出。）一旦一點點水與森林林冠（canopy）結合，在各種效應的影響下，水分子被吸到內部，透過凡得瓦力（van der Waals forces）、氫鍵結與偶極交互作用（dipole interactions）擴散到其他奈米管。這些分子接著會吸引更多水進來。
研究者測試數種不同的「杯子」。只有頂部親水層的話，森林暴露於潮濕空氣中會散開，因為未經處理的底部缺乏聚合物連結，那會使頂部聚在一起。而頂部與底部都是親水層，森林會聚在一起，不過水分子很快就溜走。
但疏水層在底部而親水層在頂部時，即便森林所吸收的水分重量已達其本身重量的 80% 時，森林依然完好如初。
所捕獲的水蒸氣數量端看空氣濕度。一個 8 毫克的樣本（表面積有 0.25 平方公分），放在乾空氣中 11 小時，能夠吸引到其重量 27.4% 的水分，在潮濕空氣中，13 小時就能吸收到 80%。更進一步的測試證明，森林會顯著延緩已捕獲水分的蒸發。
如果有可能大規模生長奈米管森林時，這項發明將成為一種兼具效能（efficient）與效率（effective）的水蒐集裝置，因為它不需要額外的能源，研究者表示。
Ozden 表示，將此發明帶入實用階段所必備的大規模奈米碳管陣列製造，仍是一個瓶頸。"如果能大規模製造奈米管森林，那將會是一種很容易製造的材料，" 他說。
共同作者包括：博士後研究 Liehui Ge，畢業生 Amelia Hart 以及資深教職研究員 Robert Vajtai，以上全來自 Rice。Rice 校友 Tharangattu Narayanan，一位在印度 Karaikudi，Central Electrochemical Research Institute 的科學家；Hyunseung Yang，KIST 的畢業生、前 Rice 訪問學者，此外還有 Srividya Sridhar，印度德里科技大學畢業生、前 Rice 訪問學者。Ajayan 教授則是 Rice 的 Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson 機械工程與材料科學教授、化學教授以及材料科學與奈米工程學系系主任。
※ 相關報導：
＊ Anisotropically Functionalized Carbon Nanotube Array Based Hygroscopic Scaffolds
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/am5022717
Sehmus Ozden, Liehui Ge, Tharangattu N. Narayanan,＊ 塑膠奈米纖維：自我組裝、高導電性
Amelia H. C. Hart, Hyunseung Yang, Srividya Sridhar,
Robert Vajtai , and Pulickel M. Ajayan.
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (13), pp 10608–10613
doi: 10.1021/am5022717
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