一亩二分地

从十八世纪以来, 通过第一次和第二次工业革命, 人们的生活已经无法离开蒸汽机, 内燃机, 电动机等机械设备. 目前, 各种大小的芯片已经装进大到卫星 火箭, 小到球鞋 牙刷等, 所有能想得到的东西里面. 可以预见, 网络很快也会渗透到生活的每个角落, 而不仅局限于电脑和手机上. 因此, 二十世纪后期开始的信息革命, 将来很可能被广泛承认为第三次工业革命.

有人说21世纪是纳米时代, 纳米催化剂, 纳米涂层, 纳米马达, 纳米汽车, 纳米登月电梯…… 类似的设想非常多. 虽然的是目前还没有什么真正称得上实用的产品, 但纳米技术会不会成为第四次工业革命呢?

劳伦斯·利佛莫尔国家实验室在五月份的Science杂志上提出了一种利用碳纳米管淡化海水的研究(Abstract, PDF), 如果实现, 可能比常用的反渗透技术和多次减压蒸馏技术降低75%的成本.

研究者在一个2X2厘米的硅片上蚀刻了89个窗口的矩阵, 每个格子内的操作方法都是一样的: 通过electron beam deposition技术把由铝 钼 铁组成的催化剂附着上去, 然后使用CVD(chemical vapor deposition)让碳纳米管生长, 长度在1到5微米之间. 然后在碳纳米管之间气相附着氮化硅, 起到支撑和填充的作用. 最后再通过蚀刻把碳纳米管的两头都打开, 使水分子和某些气体能够从其中透过. 这样就做成了小型渗透膜, 成品如下图所示:

“渗透膜”矩阵放在一个quarter边上

为了对生长的纳米管进行研究, 他们还把他们溶到二甲基甲酰胺里用电镜观察, 统计出碳纳米管的平均直径是1.6纳米, 相当于大概7个水分子的宽度.

在气体和液体透过实验中, 他们提出一些貌似正确但看太不懂的讨论 @#$%^&*… 总之, 结论是在气体透过试验中, 因为纳米管的直径远小于气体分子的平均自由路径(mean free path), 分子与管壁的碰撞比分子之间的碰撞更重要, 因此应该用Knudsen diffusion模型计算透过速率, 而且这个理论值应用到其他微孔材料上证明是正确的. 但碳纳米管渗透的实测值是此计算值的几十倍. 更有趣的是, 在水分子渗透实验中, 因为什么什么, 所以应该用什么什么Hagen-Poiseuille方程计算. 结果, 实测速率是理论值的上万倍. 也就是说, 不需要施加很高的压力, 这些小分子就可以通过渗透膜.

研究者认为, 碳纳米管有如此高的透过率可能是因为纳米管偷用了玉兰油抗皱美容霜, 使它的内壁如丝般润滑. 因此分子与内壁的碰撞不再是无规律散射, 而更接近镜面折射, 从而提高穿透速率. 另外一种可能是水分子在碳纳米管内部, 由于某种作用而连成”水线”, 因此能更顺畅的穿过. 这也很可能跟玉兰油保湿防晒霜有关.

最后, 随着人口不断增长, 对海水淡化技术的需求会越来越强烈. 同时, 纳米技术将日益成熟, 而能源价格不断上涨, 这种相对低能耗的纳米管渗透膜很可能应用在将来海水淡化工厂中.