从碳管中流出清泉

石无鱼

在中东某些国家，水比油贵早已不是什么新闻，这些国家尽管紧邻大海，其实并不缺水，但因为目前海水淡化的成本居高不下，才造成了这样的怪事。不过未来，一项新的纳米技术有望改变这一局面。在这一技术中，我们以前多次介绍过的老朋友——碳纳米管又将再一次大显身手。

早在上个世纪初生物学家就发现，在生物体的细胞膜上有一些细长的通道，控制着水分子在细胞膜上的出入。这些通道虽然结构精微，但本质上就是一些微小的管子，只是它们的直径非常小，大概只有零点几个纳米而已。

受此启发，一些科学家就设想，如果换成碳纳米管，会不会实现同样的功能呢？碳纳米管是1990年代发现的一种新材料，它是由一层或者几层碳原子格网卷成的圆筒状管道，其直径可达到几纳米。可惜目前实验上要制造直径零点几个纳米的碳纳米管还很困难，于是他们想到了用计算机模拟来进行实验，因为碳原子与水分子的作用科学家是清楚的，那是一种范德瓦尔斯力，而碳纳米管与水的作用无非是很多碳原子和很多水分子的相互作用之和而已，所以完全可以在计算机上进行模拟。

在模拟实验中，他们首先“制造”了一根直径只有0.8纳米的“碳纳米管”，然后让这根“管子”浸在虚拟的水中。研究人员惊讶地发现，竟然有一线“水流”进入到了“碳纳米管”里面。他们为什么惊讶呢？因为你要知道，碳纳米管的表面是厌水的（类似于不粘锅）。当研究人员通过调节“水温”，稍稍增大水分子之间的排斥力之后，他们观察到“管子”里的“水”非常迅速地排了出来；而一旦降低水分子之间的排斥力，“水”又非常迅速地填了回去。能如此易如反掌地控制水在“碳纳米管”中的进出，大大出乎科学家们的预料，这意味着微小的变化就能实现水在碳纳米管中的移动和运输。

科学家又把虚拟的“碳纳米管”置入虚拟的盐水中。他们发现，“盐水”里“水分子”可以非常迅速地流进“碳纳米管”，而且其流速是理论预言的上千倍。可是“盐水”里的“钠离子”和“氯离子”却被挡在了外面；虽然这些“离子”的尺寸比“碳纳米管”的直径要小得多，甚至比“水分子”还小，却进不了“碳纳米管”。

这个现象倒是不难解释。在盐水中，盐颗粒溶解后分解成了带正电的钠离子和带负电的氯离子。这些离子在水中其实并不是单独存在的，由于它们带电，在静电作用下，它们周围吸附了很多水分子，于是个头就变得庞大起来，以至于比单个的水分子还大，所以被堵在了碳纳米管外面。打个比喻，它们就好比大街上那些卖气球的人，虽然自己个头并不大，但因为手里拉着那么多的气球，一眼望去就变成了庞然大物，稍窄一点的门就进不去了。从这一实验中，科学家看到了未来海水淡化的新希望。

2006年，有两位美国科学家用一系列短小的、直径大约只有1.6纳米的碳纳米管（现在是货真价实的碳纳米管）排列成行，组成一张膜，一端放入水中。他们发现水可以非常迅速地从另一端流出来，流速是通常使用的多孔膜的100多倍。只可惜直径1.6纳米对于海水脱盐还是太大了些，效果并不很明显。理论上计算，只要碳纳米管的直径超过1纳米，海水中的“钠离子”和“氯离子”就能够钻进碳纳米管；如果碳纳米管的直径做到0.93纳米，那么95%的氯化钠离子都能被挡在管外，这样从碳纳米管另一端流出的水就可以直接饮用了。只要我们造出1平方米的这样的碳纳米管膜，原则上每天就可以淡化上万升的海水，而且不需要任何动力。

这项技术要是实现，那么许多中东国家，甚至包括我国的许多沿海缺水地区，就不必“望洋兴叹”，守着海喊渴了。