具有类气孔纳米亲疏水结构上水蒸发的理论研究

Fresh water scarcity has been identified as one of the principal global problems, especially for the long term development of china, and the evaporation of water plays a key role in the global water circulation. Since the evaporation of nanoscale water is essential in the macroscopic world, the study on such evaporation can be very important to the environmental science and the understanding of the transpiration of plants. Inspired by the hydrophobic and hydrophilic patterned structure of the plant stomata, we try to study the influence of such stomata-like structure on the evaporation of nanoscale water, and find the mechanisms of the evaporation of nanoscale water. Based on these mechanisms, we will try to design the structures which can enhance or restrain the evaporation speed of nanoscale water. Then, we will study the influence of the small molecules dissolved in water, the humidity of the air, the flow of the air, and the thermal fluctuation on the evaporation of nanoscale water in such nanoscale structures, which can help us understand the transpiration of plant much better, and design realizable nanoscale structures that can control the evaporation speed of nanoscale water.

如何保护水资源是一个世界性问题，特别是中国长期发展的关键问题之一，而水的蒸发过程是地球上水循环的重要环节。界面上纳米尺度水的蒸发过程几乎存在于自然界的大部分蒸发过程中，因而对于这一蒸发过程的研究无论对于水资源保护以及对植物蒸腾过程的理解都有重要的意义。本项目受到植物气孔亲疏水结构的启发，希望通过对类似植物气孔结构的模拟，研究这一结构对纳米尺度水蒸发的影响，建立纳米尺度水蒸发的理论机制，并根据这一理论机制设计能加快或抑制纳米尺度水蒸发的结构。接下来，我们将进一步研究水中的小分子以及表面附近的空气湿度、空气流动情况、光照以及热扰动等因素对这一结构内纳米尺度水蒸发的影响，以期能真正理解植物表面的蒸发过程，并设计能实际实现的控制纳米尺度水蒸发速度的纳米结构。

如何保护水资源是一个世界性问题，特别是中国长期发展的关键问题之一，而水的蒸发过程是地球上水循环的重要环节。在以往的研究中，更多的关注水在宏观水体表面的蒸发。而其实界面上纳米尺度水的蒸发过程几乎存在于自然界的大部分蒸发过程中，因而对于这一蒸发过程的研究无论对于水资源保护以及对植物蒸腾过程的理解都有重要的意义。本项目受到植物气孔亲疏水结构的启发，运用分子动力学模拟方法，研究了纳米尺度亲疏水结构对水蒸发的影响，发现纳米尺度的亲疏水间隔结构能加快表面纳米尺度水的蒸发，并且水层的蒸发速度与亲疏水区域的分界线长度相关，因而设计亲疏水分界线的长度不同的表面就有可能控制表面少量水的蒸发速度。同时我们还研究了温度和表面的粗糙程度以及水中的离子对纳米尺度水蒸发的影响，分析了热涨落对水分子行为的影响。结合实验，研究了蒸发过程中液滴内悬浮颗粒的沉积情况。结合这些研究，我们对纳米尺度水层的蒸发行为有了初步理解。