美国专家在石墨烯上长出最薄液膜

  如果雨水落在你的新iPhone上,屏幕上会流下一串串的雨滴,但很快就能甩干净。然而类似的情况如果出现在长时间沐浴后的浴室里,你会发现整面镜子都覆盖着一层薄薄的水雾,很久才会消散。这些是润湿物理学的两个极端例子,这个学科一直认为,如果液体内部的相互作用比液体和表面之间的相互作用更强,液态原子就会粘在一起,形成分离的液滴,相反的情况下,表面的强烈拉动会导致液体扩散,从而形成薄膜。

  但在50年前,有物理学家推测有第三种可能,他们指出可能存在着“临界润湿”状态,液体的原子开始会在表面上形成一层膜,但当它们仅有几个原子厚度时会停止积聚。但当时包括苏联著名的物理学家Evgeny Lifshitz在内的这些科学家并不确定是否真的有这种的湿润现象,因为他们从未在实验室中看到它。

  然而,事情随着石墨烯的发现出现转机。在2010年,诺贝尔物理学奖被授予给俄罗斯的两位科学家,因为他们创造了一种名为石墨烯的特殊结构的碳。这是一种只有一个原子厚度的蜂窝状碳膜,是世界上强度最高的材料,并且自它诞生后,材料科学家们不时能发现它的一些迥然于目前材料的奇特性质。

  美国佛蒙特大学的物理学家们发现,石墨烯是实现“临界状态”现象的最佳材料。他们结合研究石墨烯的多年经验,提出了一种以石墨烯为基底,在上面控制性生长液体原子膜的方法,实现了润湿的临界状态,而且更有意义的是造出了迄今为止最薄的液体薄膜。这种液体膜的出现代表着只有几个原子厚的新型表面涂层和润滑剂问世。

  这项工作的主要完成者Sanghita Sengupta博士说:“我们已经能很自如地控制石墨烯上超薄膜的生长。我们甚至连在什么条件下能得到几个原子层厚的液体膜这种事都知道。”

  在实验过程中,他们研究了三种轻气体(氢气、氦气和氮气)在石墨烯基底上的生长行为。在真空和其他条件下,他们计算出这些气体的液体层将开始在单原子厚的石墨烯片上形成。但当液体层厚度增加到十到二十个原子厚时,液体薄膜将停止增长。

  佛蒙特大学的物理系石墨烯专家Valeri Kotov解释说:“我们可以在量子力学中找到为什么会出现润湿临界状态的答案。尽管一个中性原子或分子不带额外的电荷,但电子在不断地绕着中心原子核运动。这种运动引起的电子密度的变化产生了宇宙中普遍存在但很弱的一种力量——范德华力,它在原子之间创造的吸引力只能延伸很短的距离。”

  “而石墨烯的二维几何形状是非常平坦的,没有静电荷或化学键来保留住液体,只能靠很弱的范德华力来维系液滴厚度堆积的过程。这就是为什么附着在石墨烯上的液体在薄膜生长到离表面仅几个原子时就会停止吸引附加的原子。相比之下,即使是浴室镜子上最薄的一层水,都是由许多比范德华力的量子尺度效应更强大的力形成的,这层水的厚度可能是109个原子厚,也可能是10亿个原子厚。”

  以往四五十年,众多科学家一直认为润湿的临界状态无法观察到,那是因为当时设计一个可以观察到这种弱力(范德华力)的表面非常具有挑战性。但是在众多形式的石墨烯和其他二维材料的不断增长的材料家族中,临界润湿似乎是普遍现象。

  他们为液膜的生长过程建了一个模型,从模型中可看到在真空中操纵悬浮的石墨烯片(灰色底部)生长液膜(上层蓝色原子)的过程。目前佛蒙特大学的研究人员已经可以控制原子在3到50纳米间的厚度处停止生长。Sengupta博士说,通过拉伸石墨烯基底、掺杂其他原子或在附近施加弱电场这几种方法,研究人员已经可以控制超薄膜中的原子数量,自如地调整这个厚度。

  “对石墨烯的这几种机械调整使液膜厚度发生实时变化,这有点像一个量子大小的旋钮,”另一位从事这项新研究的Nathan Nichols博士说道,“我们就像是在操控一台原子级别的机器,通过改变表面涂层里的小零件,控制涂层的厚度大小。”

  Sengupta博士说:“虽然我们做出了一些成就,但我们还只是个理论物理学家的团队,目前我们正在寻找一个实验物理学家团队来帮助我们测试这些发现,我们称这项工作为介电工程。”

  到目前为止,石墨烯尚且不能作为成熟的工业产品,因为它的很多特殊性能都是在微观尺度下体现,当我们做成宏观体时不免要和其他材料结合,这个过程会使它独特的特性受损甚至消失,比如极强的导电性。但是,通过控制临界润湿,工程师们可以定制纳米涂层,这种涂层不会污染石墨烯所需的性能,它可以为下一代可穿戴电子设备和显示器提供润滑和保护。所以不管从什么方向来看,他们的成果都是非常有价值的。

  来源:石墨烯网

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