原子尺度性质对水滴蒸发行为的影响和调控研究

Evaporation of water droplet is ubiquitous in both our daily life and industries, from the coffee drops on the desk to the cooling towers around our cities. It plays significant roles in human behaviors, attaining great research interests. Evaporation on the solid surface is the process of numerous water molecules escaping from the droplet, which is controlled by properties of solid as well as that of water itself. The evaporation rate is directly related with the wetting states of water droplet on the solid surface. It is observed that evaporation rate at the solid-liquid-air (three-phase) contact line is extremely large and approximates the evaporation rate of the whole water droplet. Previous models for the anomalous observation focus on the geometrical structures of the droplet rather than on the molecular or atomic scale (size of one or several atoms) properties. Present methods to control evaporation are traditional ones and consume too much energy. Reports on understanding the evaporation at the atomic scale are very few; to control evaporation rate due to the atomic scale properties with small consumption of energy or even no consumption is much fewer. The project will study the effects of atomic scale properties on evaporation due to the advantages such as precise controlling, little consumptions and high efficiency. The project is hoped to benefit both mechanisms of evaporation from the water-molecular perspective and applications of evaporation in industries (such as sea water desalinization).

水滴的蒸发广泛分布于日常生活和工业生产中，从办公桌上的咖啡滴到城市周边随处可见的冷却塔，在人类的生活中起到重要作用，引起了科研领域的重视。水滴在固体表面的蒸发行为是水分子从水滴脱离的过程，因此同时受到固体、液体的影响，其蒸发速率与水滴在固体上的浸润行为密切相关。相关研究惊奇地发现：水分子在固-液-气（即三相线）处的蒸发速率较大，甚至约等于整个水滴的蒸发速率。之前的理论都是在宏观尺度解释蒸发速率，在原子尺度（一个或者几个原子大小的尺度）和水分子层次上的解释并不充分；调控水滴蒸发速率的方法依然是传统的升温、增加空气流通等，这些方法都需要较大的能量输入。在原子尺度研究蒸发机理的报道目前还比较少，而且具有很多优势，如调控更加精准、物质和能量消耗少、效果明显。本项目将研究材料的原子尺度性质影响水滴蒸发行为的机理并对蒸发速率进行有效调控，为在水分子层次上理解蒸发现象并实现应用（如海水淡化）奠定基础。

固体表面水滴的蒸发行为是一种常见的自然现象，其蒸发过程和由此诱导产生的现象引起了不同学科的研究兴趣。本项目的主要研究内容是在原子尺度上研究固体表面和水滴内部的性质对蒸发的影响和调控，包括固体-水-空气三相交界处（即三相线）的蒸发行为，以及离子和固体衬底对蒸发的调控。通过引入凝聚能的概念，本项目从水滴中各区域水分子需要克服的蒸发势垒这一角度出发，发现位于三相线处的水分子的蒸发势垒最低（约为38千焦每摩尔，比其他区域低近20千焦每摩尔），因此具有最大的概率蒸发出去。进一步地，我们发现这一最低蒸发势垒是由该处作用于水分子的其他分子数目较少决定，这与固体衬底和空气的存在密切相关，该处的水分子空间分布已经被极大改变了，不同于水滴的其他区域。利用空心玻璃微珠浮在水滴表面，人为地构造了玻璃-水-空气三相线，最高可以将蒸发速率提高30%。.除了空间分布的影响外，水滴内部的离子（如氯化镁、氯化钠等）同样能够影响水的蒸发。离子的存在抑制了水分子的蒸发，源于离子引入了额外的静电作用，提高了水分子的蒸发势垒并减小了水滴的接触直径和蒸发“表面”的厚度。我们总结了固体衬底和水滴对水分子蒸发的不同影响：衬底原子与水分子之间的相互作用有利于蒸发，而水分子以及离子之间的作用不利于水的蒸发。通过在衬底中引入极性，可以降低水分子的蒸发势垒，有利于提高液滴中水的蒸发速率。.此外，在本项目的支持下，还与合作者共同研究了本征石墨烯表面的水滴浸润行为，以及生长过程产生的碳环和不同金属衬底对水滴浸润的影响。结果显示本征的石墨烯是亲水的（接触角小于30°），碳环的存在增大了水滴在石墨烯表面的接触角，原因在于这些碳环增大了水分子与石墨烯的间距，降低了石墨烯对水分子的作用。.通过在原子尺度上研究水滴的蒸发和浸润行为，从能量分布的角度揭示了三相线处的蒸发速率大的问题，同时给出了离子、固体衬底在水滴蒸发中的作用，为调控水滴的蒸发奠定了理论基础。