單層石墨烯就能有效地改變水滴的蒸發(fā)速率

單層石墨烯就能有效地改變水滴的蒸發(fā)速率

水滴在固體表面的蒸發(fā)是廣泛存在的現(xiàn)象。由于能夠帶走熱量以使固體表面維持適當(dāng)?shù)臏囟?，蒸發(fā)在生命活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)中都扮演十分重要的角色。然而，如何有效地調(diào)控蒸發(fā)卻是具有很大挑戰(zhàn)性的課題。



近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士黃永峰、陸俊（磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）和研究員孟勝在前人工作的基礎(chǔ)上通過研究水分子與石墨烯覆蓋襯底的相互作用發(fā)現(xiàn)（圖1）：僅一個(gè)原子層的單層石墨烯就能有效地改變水滴的蒸發(fā)速率，而且最大的改變量可以達(dá)到近20%。他們發(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)速率被加快。

圖1.(a)水滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)置;(b)蒸發(fā)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(fā)過程中水滴質(zhì)量（I，斜率為蒸發(fā)速率）和單位接觸線質(zhì)量（II，斜率為單位三相線上的平均蒸發(fā)速率）隨時(shí)間的變化。

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(fā)速率幾乎不會(huì)發(fā)生變化（變化率小于5%），因此石墨烯對(duì)蒸發(fā)過程來說是“透明的”。平均蒸發(fā)速率基本保持不變，是由于三相線處蒸發(fā)速率最大（相較于水滴表面）。他們通過實(shí)驗(yàn)研究和分子動(dòng)力學(xué)模擬（圖2、圖3）發(fā)現(xiàn)：蒸發(fā)前，水分子受到固體表面的吸引，由三相線處沿著襯底向四周進(jìn)行擴(kuò)散，然后才以單水分子的形式脫離固體表面完成蒸發(fā)過程，而不是從水滴表面直接蒸發(fā)。石墨烯由于其單原子層厚度，對(duì)單水分子吸附能改變不大，因而表現(xiàn)出水蒸發(fā)過程的透明性。在垂直于襯底方向上，水分子的數(shù)目呈指數(shù)減少，對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)速率由三相線處向水滴表面呈現(xiàn)指數(shù)衰減。

該工作利用原子尺度的相互作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)宏觀蒸發(fā)行為的有效調(diào)控，同時(shí)在分子層次上揭示了三相線處的蒸發(fā)起決定作用的物理圖像，對(duì)于調(diào)控不同條件下的蒸發(fā)行為具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表于2D Materials 5，041001(2018)。

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