科普專欄 / Information

物理所發現石墨烯誘導蒸發的透明性

水滴在固體表面的蒸發是廣泛存在的現象。由于能夠帶走熱量以使固體表面維持适當的溫度,蒸發在生命活動和工業生産中都扮演十分重要的角色。然而,如何有效地調控蒸發卻是具有很大挑戰性的課題。

近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室博士黃永峰、陸俊(磁學國家重點實驗室)和研究員孟勝在前人工作的基礎上通過研究水分子與石墨烯覆蓋襯底的相互作用發現(圖1):僅一個原子層的單層石墨烯就能有效地改變水滴的蒸發速率,而且最大的改變量可以達到近20%。他們發現其中的根本原因在于石墨烯改變了水滴在襯底上的接觸角,從而改變與襯底接觸的三相線的長度。比如,在親水襯底上,石墨烯增大了水滴的接觸角因而減小了三相線的長度,蒸發速率被抑制;而在疏水襯底上,石墨烯減小了接觸角從而增加了三相線的長度,水滴的蒸發速率被加快。

然而,令人驚訝的是,不論是否存在石墨烯,單位三相線上的平均蒸發速率幾乎不會發生變化(變化率小于5%),因此石墨烯對蒸發過程來說是“透明的”。平均蒸發速率基本保持不變,是由于三相線處蒸發速率最大(相較于水滴表面)。他們通過實驗研究和分子動力學模拟(圖2、圖3)發現:蒸發前,水分子受到固體表面的吸引,由三相線處沿着襯底向四周進行擴散,然後才以單水分子的形式脫離固體表面完成蒸發過程,而不是從水滴表面直接蒸發。石墨烯由于其單原子層厚度,對單水分子吸附能改變不大,因而表現出水蒸發過程的透明性。在垂直于襯底方向上,水分子的數目呈指數減少,對應于蒸發速率由三相線處向水滴表面呈現指數衰減。

該工作利用原子尺度的相互作用實現了對宏觀蒸發行為的有效調控,同時在分子層次上揭示了三相線處的蒸發起決定作用的物理圖像,對于調控不同條件下的蒸發行為具有重要意義。相關成果發表于2D Materials 5, 041001 (2018)。

圖1. (a)水滴蒸發實驗設置; (b)蒸發過程中水滴形貌,及(c)不同襯底上水滴直徑(CD)和接觸角(CA)變化。

    圖2. 蒸發過程中水滴質量(I,斜率為蒸發速率)和單位接觸線質量(II,斜率為單位三相線上的平均蒸發速率)随時間的變化。

圖3. 水滴蒸發過程的計算機模拟(a,b)和襯底上的吸附能分布(c)

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