Grafen kan være nøglen til at kontrollere vandfordampningen

Grafenbelægninger kan give mulighed for at kontrollere vandfordampningsprocessen fra forskellige overflader, ifølge ny forskning.

Studiet, udført af et team fra det kinesiske videnskabsakademi og Collaborative Innovation Center of Quantum Matter (Beijing), så på vekselvirkningerne mellem vandmolekyler og forskellige grafen-dækkede overflader.

Det er offentliggjort i dag i tidsskriftet 2-D materialer .

Hovedforfatter Dr. Yongfeng Huang, fra det kinesiske videnskabsakademi, sagde:"Vanddråbefordampning er et allestedsnærværende og kompliceret fænomen, og spiller en central rolle i natur og industri. Forstå dens mekanisme på atomær skala, og at kontrollere fordampningshastigheden rationelt er vigtig for applikationer, herunder varmeoverførsel og kropstemperaturkontrol. Imidlertid, det er fortsat en betydelig udfordring. "

Holdets eksperimenter viste, at en grafenbelægning kontrollerer vandfordampningen ved at undertrykke fordampningshastigheden på hydrofile overflader, og accelererende fordampning på hydrofobe.

Dr. Huang sagde:"Vigtigere er det, vi fandt ud af, at grafen er 'gennemsigtigt' for fordampning. Når en hydrofil overflade er belagt med grafen, vanddråbens kontaktlinje er dramatisk forkortet eller forlænget, på grund af justering i befugtningsvinkler. Dette fører til ændringer i fordampningshastigheden."

Forskerne ønskede at forstå 'gennemsigtigheden' i grafen-medieret fordampning, og afdække dens underliggende struktur på atomskalaen. At gøre dette, de udførte molekylær dynamik simuleringer på vanddråbefordampning, på overflader med og uden grafenbelægning.

For første gang, de identificerede atomskalamekanismen for substrat-inducerede fordampningshændelser. De fandt ud af, at vandmolekyle danner en forløbertilstand ved kontaktlinjen, før det fordamper.

Dr. Huang forklarede:"Yderligere analyse viste, at vandtætheden i fordampningsovergangstilstande er størst ved kontaktlinjen, aftager derefter eksponentielt, når det går væk fra substratet. Enkelt vanddesorption ved kontaktlinjen dominerer dråbefordampningsprocessen. Da grafen ikke ændrer bindingsenergien for et enkelt vandmolekyle, det har ubetydelig indvirkning på fordampning pr. kontaktledning.

"Vores resultater er en vigtig opdagelse om grafen-medieret fordampning, og pege også på nye måder til rationelt at kontrollere fordampningsprocessen, til realistiske anvendelser inden for varmeoverførsel, trykning og relaterede områder."

Professor James Sprittles fra University of Warwick, UK vurderede arbejdet. Han sagde:"Ved at bruge eksperimenter suppleret med simuleringer af molekylær dynamik, Dr. Huang og kolleger har givet fascinerende indsigt i de molekylære mekanismer, der styrer fordampningen af ​​vanddråber på teknologisk relevante grafenbelagte substrater.

"Deres forskning viser, at befugtning alene er ansvarlig for ændringer i fordampningshastigheden, og åbner samtidig op for flere interessante emner for fremtidig forskning, såsom hvordan molekylære effekter (fx precursor nanofilm og termiske fluktuationer) kan inkorporeres i makroskopisk modellering."