佛蒙特大學的物理學家團隊發(fā)現(xiàn)了一種全新的表面可以變濕的方式。他們的研究可以讓科學家們制作出有史以來最薄的液體薄膜 - 并設計出幾種原子厚度的新型表面涂層和潤滑劑。

“我們已經(jīng)了解了控制石墨烯上生長的超薄薄膜厚度的因素，”UVM的博士生，新研究的主要作者Sanghita Sengupta說。“而且我們現(xiàn)在對于什么條件 - 比如你可以轉動的旋鈕 - 將會改變在不同液體中形成多少層原子的情況有很好的認識。”

第三種方式

要了解新物理，想象當雨落在你的新iPhone上時會發(fā)生什么：它在屏幕上形成珠子。他們很容易擺脫?，F(xiàn)在想象一下長時間淋浴后的浴室：整個鏡子可能會覆蓋一層薄薄的水。“這是潤濕物理學的兩個極端例子，”UVM物理學家Adrian Del Maestro說，他是這項新研究的合著者。“如果液體內(nèi)的相互作用強于液體和表面之間的相互作用，液體原子會粘在一起，形成單獨的液滴。相反的情況下，表面的強拉力會導致液體擴散，形成薄膜。”

50多年前，物理學家推測出第三種可能性 - 一種稱為“臨界潤濕”的奇怪現(xiàn)象，液體原子開始在表面形成薄膜，但當它們只有幾個原子厚度時會停止積聚。20世紀50年代的這些科學家，包括著名的蘇聯(lián)物理學家Evgeny Lifshitz，不確定關鍵的潤濕是否真實，他們當然不認為它能夠在實驗室中被看到。

然后，在2010年，諾貝爾物理學獎授予了兩位俄羅斯科學家，因為他們創(chuàng)造了一種叫做石墨烯的奇異形式的碳。這是一塊只有一個原子厚度的蜂窩狀碳片。它是世界上最強大的材料，具有許多材料科學家一直在探索的古怪品質。

德爾梅斯特羅德說，石墨烯是“測試臨界潤濕的理想表面”，佛蒙特州的團隊現(xiàn)在已經(jīng)在數(shù)學上證明了臨界潤濕是真實的。

利用范德瓦爾斯力量

科學家探索了三種輕質氣體 - 氫氣，氦氣和氮氣 - 如何在石墨烯附近發(fā)揮作用。在真空和其他條件下，他們計算出這些氣體的液體層將開始在一個原子厚的石墨烯片上形成。但是，當“10或20個原子厚度”時，電影停止生長，“UVM物理系石墨烯專家，該研究的資深作者瓦列里科托夫說。

可以在量子力學中找到解釋。雖然一個中性原子或分子 - 就像UVM團隊研究的輕氣體 - 沒有整體電荷，但是電子不斷地在遠處的核心周圍盤旋(好的，“遙遠的”只有電子的尺度)在原子的一側或另一側形成瞬間不平衡。電子密度的這些變化引起了宇宙中普遍但弱的力量之一：范德瓦爾斯力。它在原子之間產(chǎn)生的吸引力只會延伸很短的距離。

由于石墨烯的古怪，完美平坦的幾何形狀，沒有靜電荷或化學鍵來保持液體，留下微弱的范德華力來完成所有繁重的工作。這就是為什么當薄膜生長到離表面只有幾個原子時，附著在石墨烯上的液體不再吸引額外的原子離開蒸汽。相比之下，即使是浴室鏡子上最薄的水層 - 由比范德瓦爾斯力量子尺度效應更強大的力量形成 - 將是“在109原子厚度附近”，德爾梅斯特羅說; 這是1,000,000,000原子厚。

應用的濕度

設計可以觀??察到這種弱力的表面已經(jīng)證明是非常具有挑戰(zhàn)性的。但是，對石墨烯的科學興趣的爆炸使得UVM科學家得出結論，關鍵的潤濕似乎是現(xiàn)在正在創(chuàng)造的多種形式的石墨烯以及其他二維材料不斷增長的家族中的普遍現(xiàn)象。

科學家的模型顯示，在真空中，可以操縱懸浮的石墨烯片(上圖)以產(chǎn)生液體薄膜(藍色，上面的原子)，以50納米的厚度停止生長，直到厚度僅為3納米。“重要的是我們可以調(diào)整這個厚度，”Sengupta說。通過拉伸石墨烯，用其他原子摻雜，或在附近施加弱電場，研究人員已經(jīng)證明可以控制超薄膜中的原子數(shù)量。

石墨烯的機械調(diào)節(jié)可以允許液膜厚度的實時變化。這可能有點像轉動一個“量子大小的旋鈕”，另一位參與新研究的UVM博士生Nathan Nichols說，他在原子級機器的外面為了改變移動時的表面涂層里面的零件。

現(xiàn)在這個理論物理學家團隊 - “我開始稱我所做的介電工程，”Sengupta說 - 他正在尋找一個實驗物理學家團隊來測試他們在實驗室中的發(fā)現(xiàn)。

石墨烯作為工業(yè)產(chǎn)品的許多初步承諾尚未實現(xiàn)。部分原因是，當其他材料的厚層粘在上面時，它的許多特殊屬性 - 如非常有效的導體 - 都會消失。但是，通過控制臨界潤濕，工程師可能能夠定制納米級涂層，這種涂層不會污染石墨烯所需的性能，但Adrian Del Maestro說，它可以為“下一代可穿戴電子產(chǎn)品和顯示器提供潤滑和保護”。