這項研究由中國科學(xué)院和量子物質(zhì)合作創(chuàng)新中心(北京)的一個團隊進行，研究了水分子與各種石墨烯表面的相互作用。

該研究的第一作者、中國科學(xué)院的黃永鋒博士說:“水滴蒸發(fā)是一種普遍存在的復(fù)雜現(xiàn)象，在自然界和工業(yè)中都起著舉足輕重的作用。了解其在原子尺度上的機理，合理地控制蒸發(fā)速率，對于傳熱和體溫控制等應(yīng)用具有重要意義。然而，這仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

該小組的實驗表明，石墨烯涂層可以通過抑制親水表面的蒸發(fā)速率來控制水的蒸發(fā)，并加速疏水分子的蒸發(fā)。

黃博士說:“更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯在蒸發(fā)時是透明的。”當(dāng)親水性表面涂上石墨烯時，由于潤濕角度的調(diào)整，水滴的接觸線急劇縮短或拉長。這就導(dǎo)致了蒸發(fā)率的變化。

研究人員想要了解石墨烯介導(dǎo)的蒸發(fā)中的“透明度”，并揭示其在原子尺度上的底層結(jié)構(gòu)。為了做到這一點，他們在有或沒有石墨烯涂層的表面上對水滴蒸發(fā)進行了分子動力學(xué)模擬。

第一次，他們確定了亞層誘導(dǎo)蒸發(fā)事件的原子尺度機制。他們發(fā)現(xiàn)水分子在蒸發(fā)之前形成接觸線的前體狀態(tài)。

黃博士解釋說:“進一步的分析表明，蒸發(fā)轉(zhuǎn)變態(tài)的水密度在接觸線上是最大的，然后在離開基體時呈指數(shù)級下降。接觸線上的單水解吸主導(dǎo)了液滴蒸發(fā)過程。由于石墨烯不會改變單個水分子的結(jié)合能，因此它對每條接觸線的蒸發(fā)作用可以忽略不計。

“我們的結(jié)果是石墨烯介導(dǎo)的蒸發(fā)的一個重要發(fā)現(xiàn)，也為合理控制蒸發(fā)過程指明了新途徑，在傳熱、印刷及相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供了依據(jù)?！?/p>

英國華威大學(xué)的James Sprittles教授對這項研究進行了評估。他說:“通過結(jié)合分子動力學(xué)模擬的實驗，黃博士和他的同事們對控制水滴在與技術(shù)相關(guān)的石墨烯涂層底物上蒸發(fā)的分子機制提供了有趣的見解?！?/p>

“他們的研究表明，潤濕性是蒸發(fā)速率變化的唯一原因，同時也為未來的研究打開了幾個有趣的話題，比如分子效應(yīng)(前體納米薄膜和熱波動)如何被納入宏觀模型中?！?/p>