Nature Nanotechnology：颠覆认知-这种材料能在低湿度时吸水，高湿度时排水 解决干旱问题全靠它

无机材料有三种常见的水吸附-脱附机制：化学吸附，可以起修复改善作用；可逆的简单吸附，以及不可逆的冷凝过程。然而，目前我们所知的所有材料，其等温线都显示，吸水量与相对湿度成正比关系，也就是，环境相对湿度（RH）大，材料吸水量也增大，而RH低，吸水量也随之下降。

北京时间6月13号，Nature Nanotechnology最新一期的研究报道打破了这项传统认知——一种碳基的纳米棒，使用原位显微技术发现，这种材料会在低RH下吸收水分，在RH达50%-80%阈值时可自发地排斥出一半之前吸收的水分。此过程能够可逆进行，主要归因于受限碳棒之间的界面张力。

起初，PNNL（Pacific Northwest National Laboratory）的研究者主要在致力于探索一种环境友好的富铁纳米线的合成手段（如图1），而一次偶然的实验过程中，研究者得到了这种特异的吸附材料。

图1 纳米棒的制备、结构以及各种光谱图像

尽管这种纳米棒并非是最初要得到的，不过研究者还是详细地探究了下这种材料。

首先，当相对湿度增加时，纳米棒会失重。随后他们使用显微镜进行原位观察，发现了令人振奋的结果——棒束之间的小空间内出现不知名液体渗出！他们录制了一小段原位视频(见文后）。

图2  纳米棒的水吸附等温线

研究者制备了两种不同FeCl3含量（1-0.1M、2-0.2M）的纳米棒。图2中，a-c依次为25℃时的等温线；2-0.2M纳米棒过渡期水吸附动力学数据；2-0.2M纳米棒循环水吸附等温线。

图3  使用高分辨XPS光谱进行材料表征，探查前后变化

a-d中，a，c分别为制备得到的材料的表征数据；b，d分别为水暴露过后的表征数据，显示水吸附后，C-S键增多，Fe-S减少。e为RTK、77K、35K、12K、6K五个温度点下，2-0.2MFeCl3纳米棒的莫斯堡尔(Mössbauer)光谱数据。

研究者认为，在较宽的棒间隙处，表面易形成单层水分子，随后会在互相交叉的棒间（形成受限的空间）内发生冷凝。当RH增加，由于毛细管作用纳米棒束彼此收缩靠近，达到较高的RH时，一旦受限空间尺寸缩减至临界（失稳）长度，表面诱导蒸发现象（也称溶剂空化，Solvent cavitation）发生，凝结在受限区域内部的水分也随之以蒸汽形式释放（如图4）。

图4  水脱附机制的概念原理图

其实早在20多年前就有学者以结晶蛋白质为例，提出了这一现象背后的物理理论，但一直未被证实。

这项成果的发现有着十分诱人的现实应用前景，比如，帮助低势能处水资源的获取与净化、推广制作可以自动蒸发汗液的智能衣服等等。

当然，理想与现实之间还有很大的一段距离——还需要使更多的纳米棒都可以排除水分，此次实验中只有10-20%的材料参与排水。另外也需要更多的理论论证，以及探查是否有其他材料也具有这种吸附-脱附效应。

文献链接：Anomalous water expulsion from carbon-based rods at high humidity

附原位视频：