Det är ett välkänt faktum att vatten, vid havsnivån, börjar koka vid en temperatur på 212 grader Fahrenheit, eller 100 grader Celsius. Och forskare har länge observerat att när vatten är instängt i mycket små utrymmen, dess kok- och fryspunkter kan ändras lite, sjunker vanligtvis med runt 10 C eller så.

Men nu, ett team vid MIT har hittat en helt oväntad uppsättning förändringar:Inuti de minsta utrymmen – i kolnanorör vars inre dimensioner inte är mycket större än några få vattenmolekyler – kan vatten frysa fast även vid höga temperaturer som normalt skulle få det att koka.

Upptäckten illustrerar hur även mycket välbekanta material drastiskt kan förändra sitt beteende när de är fångade inuti strukturer mätt i nanometer, eller miljarddels meter. Och upptäckten kan leda till nya tillämpningar – som, väsentligen, isfyllda ledningar – som drar fördel av isens unika elektriska och termiska egenskaper samtidigt som de förblir stabila vid rumstemperatur.

Resultaten rapporteras idag i tidskriften Naturens nanoteknik , i en tidning av Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT; postdoc Kumar Agrawal; och tre andra.

"Om du begränsar en vätska till en nanokavitet, du kan faktiskt förvränga dess fasbeteende, " Strano säger, hänvisar till hur och när ämnet växlar mellan fasta, flytande, och gasfaser. Sådana effekter förväntades, men förändringens enorma omfattning, och dess riktning (höjer snarare än sänker fryspunkten), var en fullständig överraskning:I ett av lagets tester, vattnet stelnade vid en temperatur av 105 C eller mer. (Den exakta temperaturen är svår att bestämma, men 105 C ansågs vara minimivärdet i detta test; den faktiska temperaturen kunde ha varit så hög som 151 C.)

"Effekten är mycket större än någon hade förväntat sig, " säger Strano.

Det visar sig att hur vattnets beteende förändras inuti de små kolnanorören - strukturerar formen av ett sodastrå, gjord helt av kolatomer men bara några få nanometer i diameter - beror helt på rörens exakta diameter. "Det här är verkligen de minsta rören du kan tänka dig, " säger Strano. I experimenten, nanorören lämnades öppna i båda ändar, med vattenreservoarer vid varje öppning.

Även skillnaden mellan nanorör 1,05 nanometer och 1,06 nanometer tvärs över gjorde en skillnad på tiotals grader i den skenbara fryspunkten, fann forskarna. Sådana extrema skillnader var helt oväntade. "Alla satsningar är avstängda när du blir riktigt liten, " säger Strano. "Det är verkligen ett outforskat utrymme."

I tidigare försök att förstå hur vatten och andra vätskor skulle bete sig när de var begränsade till så små utrymmen, "det fanns några simuleringar som visade riktigt motsägelsefulla resultat, " säger han. En del av anledningen till det är att många team inte kunde mäta de exakta storlekarna på sina kolnanorör så exakt, inte inse att så små skillnader skulle kunna ge så olika resultat.

Faktiskt, det är förvånande att vatten till och med kommer in i dessa små rör i första hand, Strano säger:Kolnanorör tros vara hydrofoba, eller vattenavvisande, så vattenmolekyler borde ha svårt att ta sig in. Det faktum att de kommer in förblir lite av ett mysterium, han säger.

Strano och hans team använde mycket känsliga bildsystem, använder en teknik som kallas vibrationsspektroskopi, som kan spåra vattnets rörelse inuti nanorören, vilket gör dess beteende föremål för detaljerad mätning för första gången.

Teamet kan inte bara upptäcka närvaron av vatten i röret, men också dess fas, han säger:"Vi kan se om det är ånga eller vätska, och vi kan se om det är i en stel fas." Medan vattnet definitivt går in i en fast fas, teamet undviker att kalla det "is" eftersom den termen antyder en viss typ av kristallin struktur, som de ännu inte har kunnat visa att det finns i dessa begränsade utrymmen. "Det är inte nödvändigtvis is, men det är en isliknande fas, " säger Strano.

Eftersom detta fasta vatten inte smälter förrän långt över vattnets normala kokpunkt, den bör förbli perfekt stabil på obestämd tid under rumstemperaturförhållanden. Det gör det potentiellt till ett användbart material för en mängd olika applikationer, han säger. Till exempel, det borde vara möjligt att göra "istrådar" som skulle vara bland de bästa bärarna som är kända för protoner, eftersom vatten leder protoner minst 10 gånger lättare än typiska ledande material. "Detta ger oss mycket stabila vattenledningar, vid rumstemperatur, " han säger.