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?shù)臏囟?，蒸發(fā)在生命活動和工業(yè)生產(chǎn)中都扮演十分重要的角色。然而，如何有效地調控蒸發(fā)卻是具有很大挑戰(zhàn)性的課題。



近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室博士黃永峰、陸?。ù艑W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(fā)現(xiàn)（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(fā)速率，而且最大的改變量可以達到近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)實驗設置;(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)過程中水滴質量（I，斜率為蒸發(fā)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(fā)速率）隨時間的變化。

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)速率幾乎不會發(fā)生變化（變化率小于5%），因此石墨烯對蒸發(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）。他們通過實驗研究和分子動力學模擬（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行擴散，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，對應于蒸發(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現(xiàn)了對宏觀蒸發(fā)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(fā)起決定作用的物理圖像，對于調控不同條件下的蒸發(fā)行為具有重要意義。相關成果發(fā)表于2D Materials 5，041001(2018)。

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