Сайт переехал physreal.com

В отличие от макроскопических поверхностей, обладающих значительной шероховатостью, поверхность УНТ является почти идеально гладкой на молекулярном масштабе, благодаря чему вода практически не испытывает трения при протекании через нанотрубки. Подобное свойство УНТ открывает новые направления их прикладного использования, связанные с созданием водных опреснительных установок и водоочистных сооружений. Для развития этих направлений, необходимо глубокое понимание механизмов, ответственных за поведение воды внутри УНТ.

Один из экспериментов в этом направлении недавно был выполнен исследователями из Univ. Paris-Sud (Франция), Inst. Laue-Langevin (Франция) и Univ. of Perugia (Италия) [3]. В этом эксперименте динамику заполнения однослойных УНТ диаметром 1.41 нм водой исследовали методом рентгеновского рассеяния. УНТ в виде порошка помещали в стеклянный капилляр, который либо подвергали вакуумной откачке при различных температурах, либо заполняли насыщенным водяным паром. Длина волны рентгеновского излучения составляла 0.15418 нм. С целью удаления адсорбированных молекул воды образцы УНТ перед экспериментом кратковременно нагревали в вакууме до 333 K, после чего вновь охлаждали до 298 K. Процесс заполнения продолжался от 20 мин до 100 ч, в зависимости от плотности исходного образца УНТ. Анализ рентгенограмм указывает на образование в процессе заполнения УНТ водой слоистых водных структур, различающихся плотностью (приосевая область характеризуется более высокой плотностью, чем периферийные области). 

Динамика заполнения нанотрубки водой, восстановленная на основании обработки рентгенограмм в рамках трехслойной модели:
a – динамика изменения плотности воды, b – динамика изменения доли воды в образце.
1 – слой, ограниченный радиусами 0.43 нм и 0.33 нм;
2 – слой, ограниченный радиусами 0.33 нм и 0.1 нм;
3 – слой, ограниченный радиусом 0.1 нм и осью нанотрубки.

Результаты измерений, обработанные в рамках трехслойной модели, показаны на рисунке. Согласно этой модели, вода, заполняющая УНТ, имеет трехслойную радиальную структуру, так что внешний радиус первого, внешнего слоя составляет r₁ = 0.53 нм, радиус срединного слоя составляет 0.43 нм, а радиус центрального (осевого) слоя составляет 0.1 нм. Представленные на рисунке данные показывают, что на начальной стадии заполнения, при содержании воды в образце ниже 5% (по массе), заполнение практически однородно, так что расслоение происходит на последующих стадиях. Интересно, что радиальное распределение плотности воды в образце не является монотонным: самую низкую плотность имеет второй, промежуточный слой, находящийся между приосевым и периферийным слоями.

 

1. M.Majumder et al., Nature 438, 44 (2005).

2. J.K.Holt et al., Science 312, 1034 (2006).

   3. E.Paineau et al., Nano Lett. 13, 1751 (2013).